JP7317547B2 - FUEL CELL STRUCTURE, FUEL CELL MODULE AND FUEL CELL DEVICE INCLUDING THE SAME - Google Patents

FUEL CELL STRUCTURE, FUEL CELL MODULE AND FUEL CELL DEVICE INCLUDING THE SAME Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池構造体、それを備えた燃料電池モジュール及び燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure, a fuel cell module having the same, and a fuel cell device.

よく知られているように、燃料電池セルは、電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成され、アノード電極層に還元性ガスが供給され、カソード電極層に酸素を含有するガスが供給されて、発電作動する。これらガスの供給路は、前者が燃料ガス供給路と呼ばれ、後者が酸化性ガス供給路と呼ばれる。
この種の燃料電池に関する技術として、以下の特許文献1、特許文献2に開示の技術を挙げることができる。
As is well known, in a fuel cell, an anode electrode layer and a cathode electrode layer are formed with an electrolyte layer interposed therebetween, a reducing gas is supplied to the anode electrode layer, and an oxygen-containing gas is supplied to the cathode electrode layer. Supplied to generate electricity. The former is called a fuel gas supply channel, and the latter is called an oxidizing gas supply channel.
Techniques related to this type of fuel cell include the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 below.

特許文献1には、燃料電池として採用することができる電気化学的素子Eが開示されている。この電気化学的素子Eは、本発明における燃料電池構造体に相当するものであり(当該明細書図2参照)、これら電気化学的素子Eが複数積層されて電気化学的モジュールM(本発明の燃料電池モジュールに相当)が形成される。さらに、この電気化学的モジュールは他の機器と組み合わせて電気化学的装置(本発明の燃料電池装置に相当)とされる(図1参照)。 Patent Document 1 discloses an electrochemical device E that can be employed as a fuel cell. This electrochemical element E corresponds to the fuel cell structure in the present invention (see FIG. 2 of the specification), and a plurality of these electrochemical elements E are laminated to form an electrochemical module M (in the present invention). corresponding to a fuel cell module) is formed. Furthermore, this electrochemical module is combined with other devices to form an electrochemical device (corresponding to the fuel cell device of the present invention) (see FIG. 1).

電気化学的素子Eは、導電性を有する筒状支持体31と、電気化学反応部43(本発明における燃料電池セルに相当)とを有し、電気化学反応部43は、膜状の電解質層46と、膜状の燃料極44(本発明におけるアノード電極層に相当)と、膜状の空気極48(本発明におけるカソード電極層に相当)とを有し、電解質層46は燃料極44と空気極48との間に配置され、筒状支持体31は、その内側と外側との間で気体の通流を許容する気体通流許容部P2と、金属支持体1の内側と外側との間で気体の通流を禁止する気体通流禁止部P1とを有し、電気化学反応部43が金属支持体1の外側または内側に気体通流許容部P2の一部または全部を覆って配置される。
従って、この電気化学的素子Eでは、筒状支持体31内に、先に説明した燃料ガス供給路が形成された構造となる。この燃料ガス供給路を、例えば、同明細書の図5に示す構造では、燃料ガスは、図面下から上に向かう一方向に流れる。
The electrochemical element E has a conductive tubular support 31 and an electrochemical reaction section 43 (corresponding to a fuel cell in the present invention), and the electrochemical reaction section 43 is a membrane electrolyte layer. 46, a film-like fuel electrode 44 (corresponding to the anode electrode layer in the present invention), and a film-like air electrode 48 (corresponding to the cathode electrode layer in the present invention). The cylindrical support 31 is arranged between the air electrode 48 and includes a gas flow permitting portion P2 that allows gas to flow between the inside and outside of the support 31, and a space between the inside and outside of the metal support 1. The electrochemical reaction part 43 is arranged outside or inside the metal support 1 to cover part or all of the gas flow-permitting part P2. be done.
Therefore, the electrochemical element E has a structure in which the fuel gas supply path described above is formed in the cylindrical support 31. As shown in FIG. For example, in the structure shown in FIG. 5 of the same specification, the fuel gas flows in one direction from the bottom to the top of the drawing.

特許文献2は、発電性能を犠牲にすることなく、発電中において高温となり過ぎてしまうこと、及び温度むらが発生してしまうこと、のいずれをも防止することのできる燃料電池を提供することを目的とし、燃料極112に燃料ガス(本発明の「還元性ガス」に相当)を供給するための流路である燃料供給流路(本発明の「燃料ガス供給路」に相当)(210,125)を備えている。そして、この燃料供給流路に、水蒸気改質反応を生じさせるための改質触媒部PR1を、燃料極112から離間して且つ燃料極112に対向する面に設ける。 Patent Literature 2 proposes to provide a fuel cell that can prevent both excessive temperature rise and temperature unevenness during power generation without sacrificing power generation performance. For the purpose, a fuel supply channel (corresponding to the "fuel gas supply channel" of the present invention) (210, 125). A reforming catalyst part PR<b>1 for causing a steam reforming reaction is provided in the fuel supply channel on a surface facing the fuel electrode 112 while being spaced apart from the fuel electrode 112 .

この技術では、改質触媒部PR1で改質された改質ガスが燃料極に導入される。改質ガスは燃料極で消費され、燃料供給流路の出口から排出される。従って、水蒸気改質反応が吸熱反応であること(熱供給が必要)を利用して、燃料電池セルの高温化を防止する。ここで、改質触媒部PR1が設けられる部位は、燃料極に対して燃料ガス供給の上流側となる部位であり、電池反応を終えた排気は改質触媒部PB1が設けられた流路とは別の排気流路から排出される。
さらに、図面等から判断して、この文献2に開示の燃料電池は、その構造から見て、所謂アノード電極支持型燃料電池となっている。
In this technique, the reformed gas reformed in the reforming catalyst part PR1 is introduced into the fuel electrode. The reformed gas is consumed at the fuel electrode and discharged from the outlet of the fuel supply channel. Therefore, by utilizing the fact that the steam reforming reaction is an endothermic reaction (requires heat supply), an increase in the temperature of the fuel cell is prevented. Here, the part where the reforming catalyst part PR1 is provided is the part on the upstream side of the fuel gas supply with respect to the fuel electrode. is discharged through a separate exhaust channel.
Furthermore, judging from the drawings and the like, the fuel cell disclosed in Document 2 is a so-called anode electrode-supported fuel cell in terms of its structure.

特開2016-195029号公報JP 2016-195029 A 特開2017-208232号公報JP 2017-208232 A

上記特許文献1、2に開示の技術では以下のような課題がある。
特許文献1に開示の技術では、筒状支持体31内に形成され、例えば、当該明細書の図5に示される構造では、燃料ガス供給路を流れるガス流は、同図下から上に向かう流れとなりやすく、還元性ガスをアノード電極層へ供給するという目的において、改善の余地がある。
The techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2 have the following problems.
In the technique disclosed in Patent Document 1, in the structure formed in the tubular support 31, for example, in the structure shown in FIG. There is room for improvement for the purpose of easily flowing and supplying the reducing gas to the anode electrode layer.

特許文献2に開示のアノード支持型燃料電池では、アノード電極層が厚く(一般的に数ミリオーダー)、燃料ガスが導入される入口部分で一気に内部改質反応も進行してしまう。このため燃料電池の入口温度は低くなり、排気側は逆に燃料電池セルの本来の温度に維持するため、改質触媒部を設けた入口側が低温となりやすく、入口側と出口側との温度差が出やすい。
さらに、電池反応で水蒸気が生成されるが、燃料電池が酸化物イオン伝導型の場合、電池反応を終えた排気は改質触媒部を通らず排気流路から排出されるので、この水蒸気が内部反応に有用に利用されることはない。
In the anode-supported fuel cell disclosed in Patent Document 2, the anode electrode layer is thick (generally on the order of several millimeters), and the internal reforming reaction proceeds at once at the inlet portion where the fuel gas is introduced. As a result, the inlet temperature of the fuel cell becomes low, and the exhaust side is maintained at the original temperature of the fuel cell. is easy to come out.
Furthermore, water vapor is generated in the cell reaction, but if the fuel cell is of the oxide ion conduction type, the exhaust after the cell reaction does not pass through the reforming catalyst and is discharged from the exhaust flow path. It is not usefully utilized in the reaction.

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アノード電極層への燃料ガスの供給を確実に行える燃料電池構造体を実現することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to realize a fuel cell structure capable of reliably supplying fuel gas to an anode electrode layer.

本発明の第1特徴構成は、
電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、
前記アノード電極層に還元性ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記カソード電極層に酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池単セルユニットを構成可能な構造体であって、
前記燃料ガス供給路に、当該燃料ガス供給路内の流れを乱す乱流促進体を設けるとともに、原燃料ガスを改質する内部改質触媒層を設けた点にある。
The first characteristic configuration of the present invention is
a fuel cell in which an anode electrode layer and a cathode electrode layer are formed with an electrolyte layer sandwiched therebetween;
A structure capable of forming a fuel cell single cell unit, comprising a fuel gas supply path for supplying a reducing gas to the anode electrode layer and an oxidizing gas supply path for supplying an oxygen-containing gas to the cathode electrode layer. and
The fuel gas supply path is provided with a turbulence promoter for disturbing the flow in the fuel gas supply path and an internal reforming catalyst layer for reforming the raw fuel gas.

先にも示したように、燃料ガス供給路内を流れるガス流は、その流路構成により層流となりやすいが、この流路に乱流促進体を挿入しておくことにより、流れを乱し、燃料ガス供給路内に形成される主流に対して、主流方向とは異なった方向(例えば主流に対して直交する流れ)を形成することができる。結果、アノード電極層への還元性ガスの供給を効率的に行える。 As described above, the gas flow in the fuel gas supply channel tends to be laminar due to its channel structure. , a direction different from the main stream direction (for example, a flow orthogonal to the main stream) can be formed with respect to the main stream formed in the fuel gas supply passage. As a result, the reducing gas can be efficiently supplied to the anode electrode layer.

一方、アノード電極層で水蒸気が生成される酸化物イオン伝導型の燃料電池では、この生成される水蒸気のアノード電極層近傍からの放出を有効に促進できる。そして、燃料ガス供給路に内部改質触媒層を設けておくことにより、発電により生成される水蒸気を有効に利用して改質(主には水蒸気改質)の用に供することができる。燃料電池がプロトン伝導型の場合は、内部改質触媒層で内部改質を行ってアノード電極層に供給することができる。 On the other hand, in an oxide ion conductive fuel cell in which water vapor is generated in the anode electrode layer, the release of the generated water vapor from the vicinity of the anode electrode layer can be effectively promoted. By providing an internal reforming catalyst layer in the fuel gas supply path, steam generated by power generation can be effectively utilized for reforming (mainly steam reforming). When the fuel cell is of the proton-conducting type, internal reforming can be performed in the internal reforming catalyst layer and supplied to the anode electrode layer.

本発明の第2特徴構成は、
前記燃料電池セルが支持体上に層状に形成され、
前記支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記支持体の一方の面に前記アノード電極層が、他方の面に沿って前記燃料ガス供給路が設けられる点にある。
The second characteristic configuration of the present invention is
The fuel cell is formed in layers on a support,
A plurality of through-holes penetrating through the support are provided,
The anode electrode layer is provided on one surface of the support, and the fuel gas supply path is provided along the other surface.

本特徴構成によれば、支持体を挟んで、一方の面に燃料電池セルのアノード電極層を、他方の面側に燃料ガス供給路を設け、燃料ガス供給路とアノード電極層との間のガスの供給・放出を良好に促進できる。さらに当該アノード電極層で水蒸気が生成される場合は、この水蒸気を燃料ガス供給路に戻して、燃料電池構造体内部での改質を良好に進めることができる。 According to this characteristic configuration, the anode electrode layer of the fuel cell is provided on one side of the support, and the fuel gas supply path is provided on the other side of the support. It can favorably promote the supply and release of gas. Furthermore, when water vapor is generated in the anode electrode layer, this water vapor can be returned to the fuel gas supply channel, and the reforming inside the fuel cell structure can proceed satisfactorily.

本発明の第3特徴構成は、
前記燃料ガス供給路の内面の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられることにある。
The third characteristic configuration of the present invention is
The internal reforming catalyst layer is provided on at least part of the inner surface of the fuel gas supply passage.

本特徴構成によれば、還元性ガス供給路の少なくとも一部に内部改質触媒層を形成するという比較的簡単な構成で、内部改質触媒層を備えた燃料ガス供給路を実現できる。 According to this characteristic configuration, it is possible to realize a fuel gas supply path provided with an internal reforming catalyst layer with a relatively simple configuration in which the internal reforming catalyst layer is formed in at least a part of the reducing gas supply path.

本発明の第4特徴構成は、
前記貫通孔の内部に前記内部改質触媒層を設ける点にある。
The fourth characteristic configuration of the present invention is
The point is that the internal reforming catalyst layer is provided inside the through hole.

本特徴構成によれば、貫通孔を流通するガスを利用して、この部位を流通するガスの改質を起こさせることができる。 According to this characteristic configuration, the gas flowing through the through-hole can be used to reform the gas flowing through this portion.

本発明の第5特徴構成は、
前記燃料ガス供給路と前記酸化性ガス供給路とを仕切る少なくとも一つのセパレータを備え、
前記セパレータの前記燃料ガス供給路側の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる点にある。
The fifth characteristic configuration of the present invention is
comprising at least one separator separating the fuel gas supply channel and the oxidizing gas supply channel;
The feature is that the internal reforming catalyst layer is provided on at least a part of the separator on the fuel gas supply path side.

本特徴構成によれば、燃料電池構造体を重ねることで、セパレータを挟んでその一方の面側に燃料ガス供給路を、他方の面側に酸化性ガス供給路を形成することが可能となり、比較的単純な構造で燃料電池(具体的には燃料電池モジュール)を構築でき、結果的に、信頼性が高く長寿命の燃料電池を得ることができる。 According to this characteristic configuration, by stacking the fuel cell structures, it is possible to form a fuel gas supply path on one side and an oxidizing gas supply path on the other side with the separator sandwiched therebetween, A fuel cell (specifically, a fuel cell module) can be constructed with a relatively simple structure, and as a result, a highly reliable and long-life fuel cell can be obtained.

本発明の第6特徴構成は、
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が担体に金属が担持された触媒である点にある。
The sixth characteristic configuration of the present invention is
The reforming catalyst contained in the internal reforming catalyst layer is a catalyst in which a metal is supported on a carrier.

本特徴構成によれば、担体に金属を担持させた触媒を用いることで、触媒に使用する金属の使用量を低減しても高性能な内部改質触媒層とすることができるので、低コストで高性能な燃料電池装置を得ることができる。 According to this characteristic configuration, by using a catalyst in which a metal is supported on a carrier, a high-performance internal reforming catalyst layer can be obtained even if the amount of metal used in the catalyst is reduced, resulting in low cost. , a high-performance fuel cell device can be obtained.

本発明の第7特徴構成は、
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒がNiを含む触媒である点にある。
The seventh characteristic configuration of the present invention is
The reforming catalyst contained in the internal reforming catalyst layer is a catalyst containing Ni.

本特徴構成によれば、比較的入手容易で安価な金属であるNiを使用して水蒸気改質を内部改質触媒層で起こすことができる。 According to this characteristic configuration, steam reforming can occur in the internal reforming catalyst layer using Ni, which is a relatively easily available and inexpensive metal.

本発明の第8特徴構成は、前記乱流促進体が網状体である点にある。 An eighth characteristic configuration of the present invention resides in that the turbulence promoter is a mesh.

本特徴構成によれば、網状に形成された乱流促進体により、燃料ガス供給路内における流れに関し、その主流をある程度維持する状態で、網状体に当たるガス流を乱し、アノード電極層へ向かう流れを形成するとともに、当該電極層から水蒸気が生成される構成では、この水蒸気を主流側に放出することができる。 According to this characteristic configuration, the mesh-shaped turbulence promoting body disturbs the gas flow that hits the mesh-like body while maintaining the main stream of the flow in the fuel gas supply passage to some extent, and moves toward the anode electrode layer. In a configuration in which a flow is formed and water vapor is generated from the electrode layer, this water vapor can be released to the mainstream side.

本発明の第9特徴構成は、
前記支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記支持体の一方の面に前記アノード電極層が、他方の面に沿って前記燃料ガス供給路が設けられ、
前記網状体が前記燃料ガス供給路における前記他方の面側に設けられている点にある。
The ninth characteristic configuration of the present invention is
A plurality of through-holes penetrating through the support are provided,
The anode electrode layer is provided on one surface of the support, and the fuel gas supply path is provided along the other surface,
The point is that the mesh-like body is provided on the other side of the fuel gas supply passage.

本特徴構成によれば、支持体に貫通した貫通孔に近接して網状体を配置することとなるので、この網状体により貫通孔を介するアノード電極層への、さらにはこの電極層からのガス流を良好に発生させることができる。 According to this characteristic configuration, since the mesh-like body is arranged in the vicinity of the through-holes penetrating through the support, the mesh-like body allows the gas to flow to the anode electrode layer through the through-holes and further from the electrode layer. Good flow can be generated.

本発明の第10特徴構成は、
前記乱流促進体が前記燃料ガス供給路に配置される複数の障害体である点にある。
A tenth characteristic configuration of the present invention is
The turbulence promoter is a plurality of obstacles arranged in the fuel gas supply passage.

本特徴構成により、燃料ガス供給路内の流れは、複数の障害体間を通過する流れとなるが、燃料ガス供給路内に、その流れ方向が異なった複雑な流れを形成でき、結果的にアノード電極層への流れ、アノード電極層からの流れを効率的に発生することができる。 With this characteristic configuration, the flow in the fuel gas supply passage becomes a flow that passes between a plurality of obstacles, but it is possible to form complicated flows with different flow directions in the fuel gas supply passage, resulting in A flow to the anode electrode layer and a flow from the anode electrode layer can be efficiently generated.

本発明の第11特徴構成は、
前記乱流促進体の少なくとも一部表面に改質触媒が担持され、前記内部改質触媒層が形成されている点にある。
The eleventh characteristic configuration of the present invention is
A reforming catalyst is carried on at least a part of the surface of the turbulent flow promoting body, and the internal reforming catalyst layer is formed.

本特徴構成によれば、これまで説明してきた、乱流促進体による燃料ガス供給路内の流れの制御に加えて、この乱流促進体により改質を行うことができる。 According to this characteristic configuration, in addition to the control of the flow in the fuel gas supply passage by the turbulence promoter, which has been explained so far, the reforming can be performed by the turbulence promoter.

本発明の第12特徴構成は、
前記支持体が金属材料を用いて形成されている点にある。
A twelfth characteristic configuration of the present invention is
The point is that the support is formed using a metal material.

本特徴構成によれば、金属材料は強度が高く成形性に富む。結果、支持体を薄く形成できる。よって、小型、軽量で低コストの燃料電池構造体を得ることができる。 According to this characteristic configuration, the metal material has high strength and excellent formability. As a result, the support can be formed thin. Therefore, a compact, lightweight, and low-cost fuel cell structure can be obtained.

本発明の第13特徴構成は、
前記乱流促進体が金属材料を用いて形成されている点にある。
The thirteenth characteristic configuration of the present invention is
The feature lies in that the turbulence promoter is formed using a metal material.

本特徴構成によれば、金属材料は強度が高く成形性に富む。結果、乱流促進体を任意の形状且つ薄く形成できる。よって、小型、軽量で低コストの燃料電池構造体を得ることができる。 According to this characteristic configuration, the metal material has high strength and excellent formability. As a result, the turbulence promoter can be formed thinly and in any shape. Therefore, a compact, lightweight, and low-cost fuel cell structure can be obtained.

本発明の第14特徴構成は、
前記セパレータが金属材料を用いて形成されている点にある。
A fourteenth characteristic configuration of the present invention is
It is in that the said separator is formed using the metal material.

本特徴構成によれば、金属材料は強度が高く成形性に富む。結果、セパレータを任意の形状且つ薄く形成できる。よって、小型、軽量で低コストの燃料電池構造体を得ることができる。 According to this characteristic configuration, the metal material has high strength and excellent formability. As a result, the separator can be formed in any shape and thinly. Therefore, a compact, lightweight, and low-cost fuel cell structure can be obtained.

本発明の第15特徴構成は、
前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池である点にある。
A fifteenth characteristic configuration of the present invention is
The point is that the fuel cell is a solid oxide fuel cell.

本特徴構成によれば、高温作動する固体酸化物形燃料電池の熱を内部改質に利用できるとともに、改質済みガス中に含まれることがある一酸化炭素の除去などに関して特別の追加改質機器を経ずに、この改質済ガスを燃料ガスとして直接固体酸化物形燃料電池に供給して発電を行うことができる。結果、シンプルな構成の燃料電池装置とすることができる。 According to this characteristic configuration, the heat of the solid oxide fuel cell that operates at high temperature can be used for internal reforming, and special additional reforming is performed for removing carbon monoxide that may be contained in the reformed gas. This reformed gas can be directly supplied as a fuel gas to a solid oxide fuel cell to generate power without passing through equipment. As a result, the fuel cell device can have a simple configuration.

本発明の第16特徴構成は、
これまで説明してきた燃料電池構造体の複数を有して構成され、
一の前記燃料電池単セルユニットの前記酸化性ガス供給路が、当該一の燃料電池単セルユニットに隣接する他の前記燃料電池単セルユニットの前記カソード電極層に前記酸素を含有するガスを供給する燃料電池モジュールが構成されている点にある。
The sixteenth characteristic configuration of the present invention is
configured with a plurality of the fuel cell structures described so far,
The oxidizing gas supply path of one of the fuel cell single cell units supplies the oxygen-containing gas to the cathode electrode layer of the other fuel cell single cell unit adjacent to the one fuel cell single cell unit. The reason is that the fuel cell module is configured to

本特徴構成によれば、複数の燃料電池単セルユニットを積層して(上下方向に積み重ねてもよいし、左右方向に並設してもよい)燃料電池モジュールを構築する場合に、一の燃料電池単セルユニットで形成できる酸化性ガス供給路を、他の燃料電池単セルユニットを構成する燃料電池セルのカソード電極層への酸化性ガスの供給元とすることで、他の部材を特に必要とすることなく、比較的簡便且つ規格化された燃料電池単セルユニットを使用して、燃料電池モジュールを構築できる。 According to this characteristic configuration, when constructing a fuel cell module by stacking a plurality of fuel cell single cell units (which may be vertically stacked or horizontally arranged side by side), one fuel By using the oxidizing gas supply path that can be formed in the battery single cell unit as a supply source of the oxidizing gas to the cathode electrode layer of the fuel cell unit that constitutes another fuel cell single cell unit, other members are not particularly required. A fuel cell module can be constructed using a relatively simple and standardized fuel cell single cell unit.

本発明の第17特徴構成は、
前記燃料電池モジュールと外部改質器とを少なくとも有し、前記燃料電池モジュールに、前記原燃料ガスを供給する燃料供給部を有する燃料電池装置が構成されている点にある。
The seventeenth characteristic configuration of the present invention is
The fuel cell device comprises at least the fuel cell module and an external reformer, and a fuel supply section for supplying the raw fuel gas to the fuel cell module.

本特徴構成によれば、燃料電池モジュールと外部改質器を有し、燃料電池モジュールに対して還元性成分を含有する原燃料ガスを供給する燃料供給部とを有するので、都市ガス等の既存の原燃料供給インフラを用い、耐久性・信頼性および性能に優れた燃料電池モジュールを備えた燃料電池装置を実現することができる。また、燃料電池モジュールから排出される未利用の燃料ガスをリサイクルするシステムを構築し易くなるため、高効率な燃料電池装置を実現することもできる。 According to this characteristic configuration, since it has a fuel cell module and an external reformer, and has a fuel supply section that supplies raw fuel gas containing a reducing component to the fuel cell module, existing gas such as city gas By using the raw fuel supply infrastructure, it is possible to realize a fuel cell device having a fuel cell module with excellent durability, reliability and performance. Moreover, since it becomes easy to construct a system for recycling unused fuel gas discharged from the fuel cell module, a highly efficient fuel cell device can be realized.

本発明の第18特徴構成は、
前記燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから電力を取出すインバータとを少なくとも有する燃料電池装置が構成されている点にある。
The eighteenth characteristic configuration of the present invention is
The fuel cell device is configured to have at least the fuel cell module and an inverter for extracting power from the fuel cell module.

本特徴構成によれば、燃料電池セルにおいて発生される電力をインバータを介して取り
出すことができ、電力変換・周波数変換等を施すことで、発電電力の適切な利用が可能となる。
According to this characteristic configuration, the power generated in the fuel cell can be taken out via the inverter, and the generated power can be used appropriately by performing power conversion, frequency conversion, and the like.

燃料電池装置の全体構成を示す概略図Schematic diagram showing the overall configuration of the fuel cell device 燃料電池モジュールにおける燃料ガス・酸化性ガスの供給構造を示す説明図Explanatory diagram showing the supply structure of fuel gas and oxidizing gas in a fuel cell module 一対の燃料電池構造体を組み合わせてなる燃料電池モジュールの一部を示す断面斜視図FIG. 2 is a cross-sectional perspective view showing a part of a fuel cell module formed by combining a pair of fuel cell structures; 一対の燃料電池構造体を組み合わせてなる燃料電池モジュールの一部を示す断面斜視図FIG. 2 is a cross-sectional perspective view showing a part of a fuel cell module formed by combining a pair of fuel cell structures; 燃料ガス供給路周りのガスの流れ及び反応を示す説明図Explanatory drawing showing gas flow and reaction around the fuel gas supply path 乱流促進体の別実施形態を示す図Figure showing another embodiment of the turbulence promoter 乱流促進体の表面に内部改質触媒層を設けた別実施形態を示す図A diagram showing another embodiment in which an internal reforming catalyst layer is provided on the surface of the turbulence promoter. 異なった構造の燃料電池構造体を採用した別実施形態を示す図FIG. 3 shows another embodiment employing a fuel cell structure with a different structure;

以下、本発明を燃料電池装置Y、当該燃料電池装置Yに備えられる燃料電池モジュールM、当該燃料電池モジュールMを積層状態で構築する燃料電池単セルユニットUの順に、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in the order of a fuel cell device Y, a fuel cell module M provided in the fuel cell device Y, and a fuel cell single cell unit U constructed by stacking the fuel cell modules M, based on the drawings.

図1は、燃料電池装置Yの全体構成を示す概略図であり、燃料電池本体である燃料電池モジュールMに繋がる燃料ガス供給系統FL、酸化性ガス供給系統AL及びアノードオフガス循環系統RLをそれぞれ示している。
燃料電池モジュールM内には、複数積層して、この燃料電池モジュールMを構成する燃料電池単セルユニットUを一つ模式的に示している。燃料電池単セルユニットUには、燃料電池セルRが備えられている。これら燃料電池単セルユニットU、燃料電池セルR等に関しては、その製造方法等を含めて後に詳述する。燃料電池単セルユニットUを構成する基本単位が本発明の燃料電池構造体となる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a fuel cell device Y, showing a fuel gas supply system FL, an oxidizing gas supply system AL, and an anode off-gas circulation system RL each connected to a fuel cell module M, which is a fuel cell main body. ing.
In the fuel cell module M, one fuel cell single cell unit U is schematically shown, which is stacked in plurality to form the fuel cell module M. As shown in FIG. The fuel cell single cell unit U is provided with fuel cells R. As shown in FIG. The fuel cell single cell unit U, the fuel cell R, and the like will be described later in detail, including the manufacturing method thereof. A basic unit constituting the fuel cell single cell unit U is the fuel cell structure of the present invention.

図2は、燃料電池モジュールMの構造を示す概略断面図であり、燃料電池単セルユニットUを構成する金属支持体1及び金属セパレータ7周りへの、水素を含有するガスである燃料ガスの供給形態及び酸素を含有する酸化性ガスの供給形態を示している。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the fuel cell module M. Fuel gas, which is a gas containing hydrogen, is supplied around the metal support 1 and the metal separator 7 that constitute the fuel cell single cell unit U. 1 shows the form and supply form of an oxidizing gas containing oxygen.

同図は、理解を容易するため、燃料電池セルRの記載を省略した。 In the figure, description of the fuel cell R is omitted for easy understanding.

<燃料電池装置>
燃料電池装置Yは、所謂、コジェネレーションシステム(熱電並供給システム)として構成されており、燃料電池装置Yから排出される熱を利用する排熱利用部としての熱交換器36を有するとともに、燃料電池装置Yで発電される電力を出力するための出力変換部としてのインバータ38を備えている。
<Fuel cell device>
The fuel cell device Y is configured as a so-called cogeneration system (thermoelectric parallel supply system), and has a heat exchanger 36 as an exhaust heat utilization unit that utilizes the heat emitted from the fuel cell device Y. An inverter 38 is provided as an output conversion unit for outputting electric power generated by the battery device Y. As shown in FIG.

制御部39は、燃料電池装置Yに要求される電力負荷に従って燃料電池装置Y全体の運転を制御する。制御対象となる各機器に関しては、当該機器の説明において行う。この制御部39への入力情報は、燃料電池装置Yの起動開始・起動停止情報及び装置Yに要求される電力負荷である。 The control unit 39 controls the operation of the entire fuel cell device Y according to the power load required for the fuel cell device Y. FIG. Each device to be controlled will be described in the description of the device. Input information to the control unit 39 is activation start/activation stop information of the fuel cell device Y and the power load required for the device Y. FIG.

燃料電池装置Yは、燃料電池モジュールMと、燃料ガス供給系統FLと、酸化性ガス供給系統AL及びアノードオフガス循環系統RLとを備えて構成されている。燃料ガス供給系統FLが、本発明の燃料供給部に該当する。 The fuel cell device Y comprises a fuel cell module M, a fuel gas supply system FL, an oxidizing gas supply system AL and an anode off-gas circulation system RL. The fuel gas supply system FL corresponds to the fuel supply section of the present invention.

燃料ガス供給系統FLには昇圧ポンプ30と、脱硫器31を備えた原燃料ガス供給系統FLaと、改質水タンク32と、改質水ポンプ32p及び気化器33を備えた水蒸気供給系統FLbとを備えている。 The fuel gas supply system FL includes a booster pump 30, a raw fuel gas supply system FLa equipped with a desulfurizer 31, a reformed water tank 32, and a steam supply system FLb equipped with a reformed water pump 32p and a vaporizer 33. It has

この実施形態では、これら原燃料ガス供給系統FLa及び水蒸気供給系統FLbは、アノードオフガス循環系統RLに合流される形態が採用されており、下手側に備えられる外部改質器34に、原燃料ガス及び水蒸気を供給する。外部改質器34は、その下手側で、燃料電池モジュールMを構成する燃料電池単セルユニットUに形成された燃料ガス供給路L1に接続されている。 In this embodiment, the raw fuel gas supply system FLa and the water vapor supply system FLb are joined to the anode off-gas circulation system RL. and water vapor. The external reformer 34 is connected to the fuel gas supply path L1 formed in the fuel cell single cell unit U constituting the fuel cell module M on its downstream side.

昇圧ポンプ30は、原燃料ガスの一例である都市ガス(メタンを主成分としてエタンやプロパン、ブタンなどを含むガス)等の炭化水素系ガスを昇圧して、燃料電池装置Yに供給する。この供給形態は、燃料電池装置Yに要求される電力負荷に見合った量の原燃料ガスを、制御部39からの指令に従って供給するものである。 The booster pump 30 boosts the pressure of a hydrocarbon-based gas such as city gas (a gas containing ethane, propane, butane, etc., with methane as the main component), which is an example of the raw fuel gas, and supplies it to the fuel cell device Y. In this supply mode, an amount of raw fuel gas corresponding to the power load required for the fuel cell device Y is supplied in accordance with a command from the control unit 39 .

脱硫器31は、都市ガス等に含まれる硫黄化合物成分を除去(脱硫)する。原燃料ガス中に硫黄化合物が含有される場合、脱硫器31を備えることにより、硫黄化合物による外部改質器34あるいは燃料電池単セルユニットUに対する影響を抑制することができる。 The desulfurizer 31 removes (desulfurizes) sulfur compound components contained in city gas or the like. If the raw fuel gas contains sulfur compounds, the provision of the desulfurizer 31 can suppress the influence of the sulfur compounds on the external reformer 34 or the fuel cell single cell unit U.

この脱硫器31には銅-亜鉛系脱硫剤が収納され、原燃料ガスに含まれる硫黄成分は硫黄含有量を1vol.ppb以下(更に好ましくは、0.1vol.ppb以下)まで低減する。この種の銅-亜鉛系脱硫剤としては、銅化合物(例えば、硝酸銅、酢酸銅等)及び亜鉛化合物(例えば、硝酸亜鉛、酢酸亜鉛等)を用いる共沈法により調製した酸化銅-酸化亜鉛混合物を水素還元して得られた脱硫剤、又は銅化合物、亜鉛化合物及びアルミニウム化合物(例えば、硝酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウム等)を用いる共沈法により調製した酸化銅-酸化亜鉛-酸化アルミニウム混合物を水素還元して得られた脱硫剤を代表的に使用できる。 This desulfurizer 31 accommodates a copper-zinc desulfurizing agent, and the sulfur component contained in the raw fuel gas has a sulfur content of 1 vol. ppb or less (more preferably 0.1 vol.ppb or less). As this type of copper-zinc desulfurizing agent, copper oxide-zinc oxide prepared by a coprecipitation method using a copper compound (e.g., copper nitrate, copper acetate, etc.) and a zinc compound (e.g., zinc nitrate, zinc acetate, etc.) A desulfurizing agent obtained by hydrogen reduction of the mixture, or a copper oxide-zinc oxide-aluminum oxide mixture prepared by a coprecipitation method using a copper compound, a zinc compound and an aluminum compound (e.g., aluminum nitrate, sodium aluminate, etc.) A desulfurizing agent obtained by hydrogen reduction can typically be used.

改質水タンク32は、外部改質器34での水蒸気改質に必要となる水蒸気を供給するために、改質水(基本的には純水)を貯留する。供給形態は、燃料電池装置Yに要求される電力負荷に見合った燃料ガスを得るための、制御部39からの指令に従った量だけ供給するものである。ただし、後にも説明するように、本発明の燃料電池装置Yでは、通常の電力負荷に見合って発電する定常運転状態では、アノードオフガスに含まれる水蒸気で、水蒸気改質において必要となる水蒸気を賄えるため、改質水タンク32からの改質水の供給、及び気化器33での気化は、燃料電池装置Yの起動時において主にその役を果たす。 The reforming water tank 32 stores reforming water (basically pure water) in order to supply steam necessary for steam reforming in the external reformer 34 . The supply mode is to supply the amount of fuel gas according to the command from the control unit 39 in order to obtain the fuel gas that matches the power load required for the fuel cell device Y. FIG. However, as will be explained later, in the fuel cell device Y of the present invention, the water vapor contained in the anode off-gas can cover the water vapor required for steam reforming in a steady operation state in which power is generated in accordance with a normal electric power load. Therefore, the supply of reformed water from the reformed water tank 32 and the vaporization in the vaporizer 33 mainly play a role when the fuel cell device Y is started.

気化器33は、改質水タンク32から供給される改質水を水蒸気とする。外部改質器34は、気化器33にて生成された水蒸気を用いて脱硫器31にて脱硫された原燃料ガスを水蒸気改質して、水素を含むガスである改質ガスとする。ただし、本発明の燃料電池単セルユニットU内には内部改質触媒層Dが備えられるため、このユニットU内においても原燃料ガスの改質を行う。結果、外部改質器34においては、原燃料ガスの一部が改質され、残部は燃料電池単セルユニットUの燃料ガス供給路L1にそのまま供給する。 The vaporizer 33 converts the reforming water supplied from the reforming water tank 32 into steam. The external reformer 34 steam-reforms the raw fuel gas desulfurized by the desulfurizer 31 using the steam generated by the vaporizer 33 to produce a reformed gas containing hydrogen. However, since the internal reforming catalyst layer D is provided in the fuel cell single cell unit U of the present invention, the raw fuel gas is also reformed in this unit U. As a result, in the external reformer 34, part of the raw fuel gas is reformed, and the remainder is supplied to the fuel gas supply path L1 of the fuel cell single cell unit U as it is.

外部改質器34には水蒸気改質触媒が収納されるが、この種の触媒としてはルテニウム系触媒、ニッケル系触媒を挙げることができる。さらに、具体的には、ルテニウム成分をアルミナ担体に担持させて得られるRu/Al触媒やニッケル成分をアルミナ担体に担持させて得られるNi/Al触媒等を使用できる。 A steam reforming catalyst is housed in the external reformer 34, and examples of this type of catalyst include ruthenium-based catalysts and nickel-based catalysts. More specifically, a Ru/Al 2 O 3 catalyst obtained by supporting a ruthenium component on an alumina carrier, a Ni/Al 2 O 3 catalyst obtained by supporting a nickel component on an alumina carrier, and the like can be used.

さて、この燃料電池装置Yが電力負荷に応じて、継続的に発電作動する定常運転状態での運転動作に関して、以下に説明する。
この実施形態における燃料電池は酸化物イオン伝導型とすることから、燃料電池単セルユニットUに設けられている燃料ガス供給路L1から排出される排ガス(アノードオフガス)には水蒸気が含まれる。そこで、このガスを冷却するとともに、過分な水分を凝縮除去して、水蒸気分圧を調整したアノードオフガスを外部改質器34に戻し、水蒸気改質の用に供する運転形態を採用している。
Now, the operating operation in the steady operation state in which the fuel cell device Y continuously generates power according to the electric power load will be described below.
Since the fuel cell in this embodiment is of the oxide ion conduction type, the exhaust gas (anode off-gas) discharged from the fuel gas supply path L1 provided in the fuel cell single cell unit U contains water vapor. Therefore, an operation mode is adopted in which this gas is cooled, excessive water is condensed and removed, the steam partial pressure is adjusted, and the anode off-gas is returned to the external reformer 34 and used for steam reforming.

即ち、燃料電池装置Yはアノードオフガス循環系統RLを備え、アノードオフガス循環系統RLに、内部を流れるアノードオフガスを冷却する冷却器32a、更に冷却するとともにその凝縮水を取出して内部を流れるアノードオフガスの水蒸気分圧を調整する凝縮器32b、外部改質器34に戻すアノードオフガスの温度を上昇する加熱器32cを備えている。 That is, the fuel cell device Y is provided with an anode offgas circulation system RL, and the anode offgas circulation system RL includes a cooler 32a for cooling the anode offgas flowing inside, and a cooler 32a for further cooling and removing condensed water from the anode offgas flowing inside. A condenser 32b for adjusting the partial pressure of water vapor and a heater 32c for raising the temperature of the anode off-gas to be returned to the external reformer 34 are provided.

この構造を採ることにより、循環ポンプ32dを働かせて、外部改質器34に投入する水蒸気量を、アノードオフガス循環系統RLを介して循環されるガスに寄るものとできる。この構造を採る場合は、最終段の凝縮器32bにおける凝縮温度を調整することで、アノードオフガス循環系統RLを介して循環する水蒸気分圧を調整することが可能となり、外部改質器34に投入されるガスに関して、その水蒸気/カーボン比(S/C比)を制御することができる。 By adopting this structure, the circulation pump 32d is actuated so that the amount of steam introduced into the external reformer 34 can be made closer to the gas circulated through the anode off-gas circulation system RL. When adopting this structure, by adjusting the condensation temperature in the final-stage condenser 32b, it becomes possible to adjust the partial pressure of water vapor circulating through the anode offgas circulation system RL. The water vapor/carbon ratio (S/C ratio) can be controlled for the gas being treated.

この循環形態は、燃料電池装置Yに要求される電力負荷に見合って原燃料ガスの少なくとも一部を外部改質器34で改質する場合に必要となる水蒸気量を、外部改質器34において適切なS/C比とするものであり、制御部39からの指令に従った作動となる。
ここでの制御対象は、循環ポンプ32dによる循環量、圧力設定及び冷却最終段となる凝縮器32bでの凝縮温度(結果的に、出口水蒸気分圧をとなる)の設定、制御となる。
In this circulation mode, the external reformer 34 can supply the amount of steam required when at least part of the raw fuel gas is reformed by the external reformer 34 to meet the power load required for the fuel cell device Y. An appropriate S/C ratio is obtained, and the operation follows a command from the control unit 39 .
The objects to be controlled here are the setting and control of the amount of circulation by the circulation pump 32d, pressure setting, and condensation temperature (resulting in outlet water vapor partial pressure) in the condenser 32b, which is the final stage of cooling.

酸化性ガス供給系統ALにはブロア35が設けられ、その下手側で、燃料電池モジュールMを構成する燃料電池単セルユニットUに形成された酸化性ガス供給路L2に接続されている。ブロア35の空気吸引量も、電力負荷に見合って燃料電池で発電反応を起こさせるに充分な空気量を確保するものであり、制御部39からの指令に従った作動となる。 A blower 35 is provided in the oxidizing gas supply system AL, and is connected to the oxidizing gas supply path L2 formed in the fuel cell single cell unit U constituting the fuel cell module M at its downstream side. The amount of air sucked by the blower 35 also ensures a sufficient amount of air to cause the power generation reaction in the fuel cell in accordance with the power load, and the operation follows the command from the control unit 39 .

<燃料電池モジュール>
燃料電池モジュールMは、外部改質器34を介して供給される還元性ガスの一例である「水素を含有するガス」である燃料ガスと、酸化性ガス供給系統ALから供給される「酸素を含有するガス」である酸化性ガスとを用いて、電池反応を起こして発電する。燃料電池モジュールMから排出される排ガスに関しては、アノードオフガスは、アノードオフガス循環系統RLを介して外部改質器34に循環され、カソードオフガスに関しては、熱交換器36での排熱回収を終えた後、外部に放出される。
<Fuel cell module>
The fuel cell module M includes a fuel gas, which is a "hydrogen-containing gas" that is an example of reducing gas supplied via the external reformer 34, and "oxygen" supplied from the oxidizing gas supply system AL. Using the oxidizing gas, which is the contained gas, a battery reaction is caused to generate electricity. As for the exhaust gas discharged from the fuel cell module M, the anode off-gas was circulated to the external reformer 34 via the anode off-gas circulation system RL, and as for the cathode off-gas, exhaust heat recovery in the heat exchanger 36 was completed. After that, it is released to the outside.

図2は、複数の燃料電池単セルユニットUを並設して構成される燃料電池モジュールMにおける、燃料ガス及び酸化性ガスの供給形態を示したものであり、その入口側と出口側とに、それぞれガスマニホールド40a,40bを有して構成される。
複数の燃料電池単セルユニットUは互いに電気的に接続された状態で並設配置され、燃料電池単セルユニットUの両端部(左右端部)がガスマニホールド40a,40bに固定されている。これまでの説明からも判明するように、燃料ガスの分配系統と酸化性ガスの分配系統とは完全に独立とされ、また、燃料電池単セルユニットUに備えられるアノード電極層Aに対して燃料ガス供給路L1を介して燃料ガスを供給し、カソード電極層Cに酸化性ガス供給路L2を介して酸化性ガスを供給する。
燃料ガスの分配系統、アノードオフガス排出系統を実線で示し、酸化性ガスの分配系統、カソードオフガス排出系統を一点鎖線で示した。
FIG. 2 shows a supply form of fuel gas and oxidizing gas in a fuel cell module M configured by arranging a plurality of fuel cell single cell units U side by side. , and gas manifolds 40a and 40b, respectively.
A plurality of fuel cell single cell units U are arranged side by side while being electrically connected to each other, and both ends (left and right ends) of the fuel cell single cell units U are fixed to gas manifolds 40a and 40b. As is clear from the above description, the fuel gas distribution system and the oxidizing gas distribution system are completely independent. A fuel gas is supplied through the gas supply path L1, and an oxidizing gas is supplied to the cathode electrode layer C through the oxidizing gas supply path L2.
A fuel gas distribution system and an anode off-gas discharge system are indicated by solid lines, and an oxidizing gas distribution system and a cathode off-gas discharge system are indicated by dashed lines.

並設積層状態にある複数の燃料電池単セルユニットUの両端(図2では、上下端)には、それぞれ端部集電部材41a,41bが備えられ、直列状態で複数の燃料電池単セルユニットUにより発電される電力がとりだされ、インバータ38に送られ、所定の変換処理を受ける。インバータ38は、例えば、燃料電池モジュールMの出力電力を調整して、商用系統(図示省略)から受電する電力と同じ電圧および同じ周波数にする。 End collector members 41a and 41b are provided at both ends (upper and lower ends in FIG. 2) of the plurality of fuel cell single cell units U in a stacked state, so that the plurality of fuel cell single cell units U are arranged in series. The power generated by U is tapped and sent to the inverter 38 where it undergoes a predetermined conversion process. The inverter 38, for example, adjusts the output power of the fuel cell module M to have the same voltage and frequency as the power received from the commercial system (not shown).

<燃料電池単セルユニット>
図3、図4は、一対の燃料電池単セルユニットUを組み合わせてなる燃料電池モジュールMの一部を示す断面斜視図である。
図3は、燃料電池セルR及び金属支持体1を挟んで形成される燃料ガス供給路L1,酸化性ガス供給路L2内を流れるガスの流通方向(黒矢印、中抜き矢印で示す)に直交する方向の断面を示している。図4は、両ガスの流通方向に沿った断面を示した図である。
これら図面の断面位置は、図3は、貫通孔1aが設けられる位置であり、図4のそれは、左下に示すガスの流入端INから、右上に示す流出端OUTまでの断面である。
これらの図からも判明するように、燃料ガス供給路L1の内面、即ち燃料ガス供給路L1とされる金属セパレータ7の表面(図3、図4の上側面)には、本発明の一つの特徴である内部改質触媒層Dが設けられている。さらに、金属支持体1の下面には、乱流促進体Eとしての網状体Eaが設けられている。
以上、燃料電池セルR、燃料電池モジュールMは概略直方形としている。
<Fuel cell single cell unit>
3 and 4 are cross-sectional perspective views showing part of a fuel cell module M formed by combining a pair of fuel cell single cell units U. FIG.
FIG. 3 is perpendicular to the flow direction of the gas flowing through the fuel gas supply path L1 and the oxidizing gas supply path L2 formed by sandwiching the fuel cell R and the metal support 1 (indicated by black arrows and hollow arrows). It shows a cross section in the direction of FIG. 4 is a diagram showing a cross section along the flow direction of both gases.
The cross-sectional position of these drawings is the position where the through hole 1a is provided in FIG. 3, and that in FIG.
As can be seen from these figures, the inner surface of the fuel gas supply path L1, that is, the surface of the metal separator 7 (upper surface of FIGS. 3 and 4) serving as the fuel gas supply path L1, has one of the features of the present invention. A characteristic internal reforming catalyst layer D is provided. Furthermore, a net-like body Ea as a turbulence promoter E is provided on the lower surface of the metal support 1 .
As described above, the fuel cell R and the fuel cell module M are substantially rectangular.

燃料電池単セルユニットUは、金属支持体1の上に形成される燃料電池セルRと、この燃料電池セルRとは反対側に接合される金属セパレータ7を有して構成される。 The fuel cell single cell unit U includes a fuel cell R formed on the metal support 1 and a metal separator 7 joined to the opposite side of the fuel cell R. As shown in FIG.

金属支持体1は概略方形であり、燃料電池セルRは、アノード電極層A、電解質層B、カソード電極層Cを少なくとも備えて構成され、金属支持体1の表側に形成・配置される。電解質層Bは、アノード電極層Aとカソード電極層Cとに挟まれた構造とされる。燃料電池セルRを金属支持体1の表側に形成する場合は、金属セパレータ7は金属支持体1の裏側に位置される。即ち、金属支持体1を挟む形態で、燃料電池セルR及び金属セパレータ7が位置される。 The metal support 1 has a substantially rectangular shape, and the fuel cell R comprises at least an anode electrode layer A, an electrolyte layer B, and a cathode electrode layer C, and is formed and arranged on the front side of the metal support 1 . The electrolyte layer B is sandwiched between the anode electrode layer A and the cathode electrode layer C. As shown in FIG. When the fuel cell R is formed on the front side of the metal support 1 , the metal separator 7 is positioned on the back side of the metal support 1 . That is, the fuel cell R and the metal separator 7 are positioned with the metal support 1 sandwiched therebetween.

燃料電池単セルユニットUは、金属支持体1上に形成された燃料電池セルRと金属セパレータ7とを備えることにより、燃料ガス供給路L1を介してアノード電極層Aに少なくとも燃料ガスを、酸化性ガス供給路L2を介してカソード電極層Cに酸化性ガスを供給して発電する。 The fuel cell single cell unit U includes the fuel cell R formed on the metal support 1 and the metal separator 7, so that at least the fuel gas is oxidized to the anode electrode layer A through the fuel gas supply path L1. An oxidizing gas is supplied to the cathode electrode layer C through the oxidizing gas supply path L2 to generate electricity.

また、燃料電池単セルユニットUの構造的特徴として、金属支持体1の表側には金属酸化物層xが、アノード電極層Aの表面(アノード電極層Aとこれを覆う電解質層Bとの界面を含む)には中間層yが、さらに電解質層Bの表面(電解質層Bとこれを覆うカソード電極層Cとの界面を含む)に反応防止層zを備えている。これら金属酸化物層x、中間層y、反応防止層zは、これら層x、y、zを挟む材料層間における構成材料の拡散を抑制する等のために設けられる層である(後述する図5参照)。 Further, as a structural feature of the fuel cell single cell unit U, the metal oxide layer x is formed on the front side of the metal support 1, and the surface of the anode electrode layer A (the interface between the anode electrode layer A and the electrolyte layer B covering it). ) is provided with an intermediate layer y, and the surface of the electrolyte layer B (including the interface between the electrolyte layer B and the cathode electrode layer C covering it) is provided with a reaction prevention layer z. These metal oxide layer x, intermediate layer y, and reaction prevention layer z are layers provided for suppressing diffusion of constituent materials between material layers sandwiching these layers x, y, and z (FIG. 5 to be described later). reference).

<金属支持体>
金属支持体1は、金属製の方形形状を有する平板となっている。
図3、図4からも判明するように、金属支持体1には、表側と裏側とを貫通して複数(多数)の貫通孔1aが形成されている。これら図面からも判明するように、複数の貫通孔1aは、金属支持体1の中央部位に、燃料ガス供給路L1を流れるガスの流れ方向及びそれ横断する方向に設けられ、この貫通孔1aを通じて少なくとも燃料ガスの通流が可能となっている。これら貫通孔1aの非形成部位(金属支持体1の横断方向の外周側部位)においてガスシールドが図られている。本発明の燃料電池では、この貫通孔1aを流れるガスは、具体的には、これまで説明してきた燃料ガスと、燃料電池セルRにおける発電反応により生成される水蒸気である。図5には、このように貫通孔1aを流通するガス(CH,H,CO、HO、CO)を示した。
<Metal support>
The metal support 1 is a rectangular plate made of metal.
As can be seen from FIGS. 3 and 4, the metal support 1 is formed with a plurality (a large number) of through holes 1a penetrating through the front side and the back side. As can be seen from these drawings, a plurality of through holes 1a are provided in the central portion of the metal support 1 in the flow direction of the gas flowing through the fuel gas supply channel L1 and in the direction transverse thereto. At least the flow of fuel gas is possible. A gas shield is provided at the portion where the through holes 1a are not formed (the portion on the outer peripheral side in the transverse direction of the metal support 1). In the fuel cell of the present invention, the gas flowing through the through holes 1a is specifically the fuel gas described above and water vapor generated by the power generation reaction in the fuel cell R. FIG. FIG. 5 shows gases (CH 4 , H 2 , CO, H 2 O, CO 2 ) flowing through the through hole 1a in this way.

金属支持体1の材料としては、電子伝導性、耐熱性、耐酸化性および耐腐食性に優れた材料が用いられる。例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、ニッケル基合金などが用いられる。特に、クロムを含む合金が好適に用いられる。本実施形態では、金属支持体1は、Crを18質量%以上25質量%以下含有するFe-Cr系合金を用いているが、Mnを0.05質量%以上含有するFe-Cr系合金、Tiを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、Zrを0.15質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金、TiおよびZrを含有しTiとZrとの合計の含有量が0.15質量%以上1.0質量%以下であるFe-Cr系合金、Cuを0.10質量%以上1.0質量%以下含有するFe-Cr系合金のいずれかであると特に好適である。 As a material for the metal support 1, a material having excellent electronic conductivity, heat resistance, oxidation resistance and corrosion resistance is used. For example, ferritic stainless steel, austenitic stainless steel, nickel-based alloy, etc. are used. In particular, alloys containing chromium are preferably used. In the present embodiment, the metal support 1 uses an Fe—Cr alloy containing 18% by mass or more and 25% by mass or less of Cr. An Fe—Cr alloy containing 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of Ti, an Fe—Cr alloy containing 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less of Zr, Ti and Zr An Fe—Cr alloy with a total Ti and Zr content of 0.15% by mass or more and 1.0% by mass or less, and an Fe—Cr alloy containing 0.10% by mass or more and 1.0% by mass or less of Cu Any of the alloys is particularly preferred.

金属支持体1は全体として板状である。なお、板状の金属支持体1を曲げて、例えば箱状、円筒状などの形状に変形させて使用することも可能である。 The metal support 1 is plate-shaped as a whole. It should be noted that it is also possible to bend the plate-like metal support 1 and deform it into, for example, a box shape or a cylindrical shape for use.

金属支持体1の表面には、拡散抑制層としての金属酸化物層xが設けられている(図5参照)。すなわち、金属支持体1と後述するアノード電極層Aとの間に、拡散抑制層を形成している。金属酸化物層xは、金属支持体1の外部に露出した面だけでなく、アノード電極層Aとの接触面(界面)にも設けられる。また、貫通孔1aの内側の面に設けることもできる。この金属酸化物層xにより、金属支持体1とアノード電極層Aとの間の元素相互拡散を抑制することができる。例えば、金属支持体1としてクロムを含有するフェライト系ステンレスを用いた場合は、金属酸化物層xが主にクロム酸化物となる。そして、金
属支持体1のクロム原子等がアノード電極層Aや電解質層Bへ拡散することを、クロム酸化物を主成分とする金属酸化物層xが抑制する。金属酸化物層xの厚さは、拡散防止性能の高さと電気抵抗の低さを両立させることのできる厚みであれば良い。
A metal oxide layer x is provided as a diffusion suppressing layer on the surface of the metal support 1 (see FIG. 5). That is, a diffusion suppressing layer is formed between the metal support 1 and the anode electrode layer A described later. The metal oxide layer x is provided not only on the surface exposed to the outside of the metal support 1 but also on the contact surface (interface) with the anode electrode layer A. It can also be provided on the inner surface of the through hole 1a. Interdiffusion of elements between the metal support 1 and the anode electrode layer A can be suppressed by the metal oxide layer x. For example, when ferritic stainless steel containing chromium is used as the metal support 1, the metal oxide layer x is mainly chromium oxide. The metal oxide layer x containing chromium oxide as a main component suppresses the diffusion of the chromium atoms and the like of the metal support 1 to the anode electrode layer A and the electrolyte layer B. The thickness of the metal oxide layer x may be any thickness that achieves both high anti-diffusion performance and low electrical resistance.

金属酸化物層xは種々の手法により形成されうるが、金属支持体1の表面を酸化させて金属酸化物とする手法が好適に利用される。また、金属支持体1の表面に、金属酸化物層xをスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、スパッタリング法やPLD法等のPVD法、CVD法などにより形成しても良いし、メッキと酸化処理によって形成しても良い。更に、金属酸化物層xは導電性の高いスピネル相などを含んでも良い。 Although the metal oxide layer x can be formed by various methods, a method of oxidizing the surface of the metal support 1 to form a metal oxide is preferably used. Alternatively, the metal oxide layer x may be applied to the surface of the metal support 1 by a spray coating method (a thermal spraying method, an aerosol deposition method, an aerosol gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, etc.). method), a sputtering method, a PVD method such as a PLD method, a CVD method, or the like, or may be formed by plating and oxidation treatment. Furthermore, the metal oxide layer x may contain a highly conductive spinel phase or the like.

金属支持体1としてフェライト系ステンレス材を用いた場合、アノード電極層Aや電解質層Bの材料として用いられるYSZ(イットリア安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア、CGOとも呼ぶ)等と熱膨張係数が近い。従って、低温と高温の温度サイクルが繰り返された場合も燃料電池セルRがダメージを受けにくい。よって、長期耐久性に優れた燃料電池セルRを実現できるので好ましい。 When a ferritic stainless steel material is used as the metal support 1, YSZ (yttria-stabilized zirconia) and GDC (gadolin-doped ceria, also called CGO) used as materials for the anode electrode layer A and the electrolyte layer B are combined with heat. Expansion coefficients are close. Therefore, the fuel cell R is less likely to be damaged even when the temperature cycle of low temperature and high temperature is repeated. Therefore, it is possible to realize a fuel cell R excellent in long-term durability, which is preferable.

貫通孔1aは、機械的、化学的あるいは光学的穿孔加工などにより、金属支持体1に設けることができる。この貫通孔1aは、金属支持体1の表裏両側からガスを透過させる機能を有する。金属支持体1にガス透過性を持たせるために、多孔質金属を用いることも可能である。例えば、金属支持体1は、焼結金属や発泡金属等を用いることもできる。 The through-holes 1a can be provided in the metal support 1 by mechanical, chemical or optical drilling or the like. The through holes 1a have the function of allowing gas to permeate from both the front and back sides of the metal support 1. As shown in FIG. It is also possible to use a porous metal in order to give the metal support 1 gas permeability. For example, the metal support 1 may be made of sintered metal, foamed metal, or the like.

<燃料電池セル>
燃料電池セルRは、アノード電極層A、電解質層B、カソード電極層Cと、これらの層の間に適宜、中間層y、反応防止層zを有して構成される。この燃料電池セルRは、固体酸化物形燃料電池SOFCである。このように、燃料電池セルRは中間層y、反応防止層zを備えることにより、電解質層Bは、アノード電極層Aとカソード電極層Cとで間接的に挟まれた構造となる。電池発電のみを発生させるという意味からは、電解質層Bの一方の面にアノード電極層Aを、他方の面にカソード電極層Cを形成することで、発電することは可能である。
<Fuel cell>
The fuel cell R is composed of an anode electrode layer A, an electrolyte layer B, a cathode electrode layer C, and an intermediate layer y and a reaction prevention layer z between these layers as appropriate. This fuel cell R is a solid oxide fuel cell SOFC. As described above, the fuel cell R includes the intermediate layer y and the reaction prevention layer z, so that the electrolyte layer B is sandwiched between the anode electrode layer A and the cathode electrode layer C indirectly. In terms of generating only battery power generation, it is possible to generate power by forming the anode electrode layer A on one side of the electrolyte layer B and the cathode electrode layer C on the other side.

<アノード電極層>
アノード電極層Aは、図3~図5に示すように、金属支持体1の表側であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に、薄層の状態で設けることができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価な電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。貫通孔1aが設けられた領域の全体が、アノード電極層Aに覆われている。つまり、貫通孔1aは金属支持体1におけるアノード電極層Aが形成された領域の内側に形成されている。換言すれば、全ての貫通孔1aがアノード電極層Aに面して設けられている。
<Anode electrode layer>
As shown in FIGS. 3 to 5, the anode electrode layer A can be provided in the state of a thin layer in an area on the front side of the metal support 1 that is larger than the area in which the through holes 1a are provided. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to secure sufficient electrode performance while reducing costs by reducing the amount of expensive electrode layer material used. The entire area where the through hole 1a is provided is covered with the anode electrode layer A. As shown in FIG. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal support 1 where the anode electrode layer A is formed. In other words, all the through holes 1a are provided facing the anode electrode layer A. As shown in FIG.

アノード電極層Aの材料としては、例えばNiO-GDC、Ni-GDC、NiO-YSZ、Ni-YSZ、CuO-CeO、Cu-CeOなどの複合材を用いることができる。これらの例では、GDC、YSZ、CeOを複合材の骨材と呼ぶことができる。
なお、アノード電極層Aは、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに、良好なアノード電極層Aが得られる。そのため、金属支持体1を傷めることなく、また、金属支持体1とアノード電極層Aとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた電気化学素子を実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
また、このアノード電極層Aに含むNiの量は、35質量%以上85質量%以下の範囲とできる。また、アノード電極層Aに含むNiの量は、発電性能をより高められるので、40質量%より多いとより好ましく、45質量%より多いと更に好ましい。一方、コストダウンし易くなるので、80質量%以下であるとより好ましい。
As the material of the anode electrode layer A, composite materials such as NiO-GDC, Ni-GDC, NiO-YSZ, Ni-YSZ, CuO-CeO 2 and Cu-CeO 2 can be used. In these examples, GDC, YSZ, CeO2 can be referred to as the composite aggregate.
In addition, the anode electrode layer A can be formed by a low-temperature firing method (for example, a wet method using firing treatment in a low-temperature region without firing treatment in a high-temperature region higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol It is preferably formed by a method such as a gas deposition method, a powder jet deposition method, a particle jet deposition method, a cold spray method, etc.), a PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), a CVD method, or the like. A good anode electrode layer A can be obtained by these processes that can be used in a low temperature range without using sintering in a high temperature range higher than 1100° C., for example. Therefore, the metal support 1 is not damaged, element mutual diffusion between the metal support 1 and the anode electrode layer A can be suppressed, and an electrochemical device excellent in durability can be realized, which is preferable. Furthermore, it is more preferable to use the low-temperature firing method because the handling of the raw material is facilitated.
Also, the amount of Ni contained in the anode electrode layer A can be in the range of 35% by mass or more and 85% by mass or less. In addition, the amount of Ni contained in the anode electrode layer A is more preferably more than 40% by mass, and even more preferably more than 45% by mass, since the power generation performance can be further enhanced. On the other hand, since it becomes easy to reduce cost, it is more preferable that it is 80 mass % or less.

アノード電極層Aは、ガス透過性を持たせるため、その内部および表面に複数の細孔(図示省略)を有する。すなわちアノード電極層Aは、多孔質な層として形成する。アノード電極層Aは、例えば、その緻密度が30%以上80%未満となるように形成される。細孔のサイズは、電気化学反応を行う際に円滑な反応が進行するのに適したサイズを適宜選ぶことができる。なお緻密度とは、層を構成する材料の空間に占める割合であって、(1-空孔率)と表すことができ、また、相対密度と同等である。 The anode electrode layer A has a plurality of pores (not shown) inside and on the surface in order to provide gas permeability. That is, the anode electrode layer A is formed as a porous layer. The anode electrode layer A is formed, for example, so that its denseness is 30% or more and less than 80%. The size of the pores can be appropriately selected so that the electrochemical reaction proceeds smoothly. The denseness is the ratio of the space occupied by the material constituting the layer, and can be expressed as (1-porosity), and is equivalent to the relative density.

(中間層)
中間層yは、図5に示すように、アノード電極層Aを覆った状態で、アノード電極層Aの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは4μm~25μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な中間層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。中間層yの材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)等を用いることができる。特にセリア系のセラミックスが好適に用いられる。
(middle layer)
The intermediate layer y can be formed in a thin layer on the anode electrode layer A while covering the anode electrode layer A, as shown in FIG. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, more preferably about 4 μm to 25 μm. With such a thickness, it is possible to secure sufficient performance while reducing costs by reducing the amount of expensive intermediate layer material used. Examples of materials for the intermediate layer y include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolin-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). ceria) and the like can be used. In particular, ceria-based ceramics are preferably used.

中間層yは、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃より高い高温域での焼成を用いずに中間層yが得られる。そのため、金属支持体1を傷めることなく、金属支持体1とアノード電極層Aとの元素相互拡散を抑制することができ、耐久性に優れた燃料電池セルRを実現できる。また、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。 The intermediate layer y is formed by a low-temperature baking method (for example, a wet method using a baking treatment in a low-temperature region without baking treatment in a high-temperature region higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, etc.). method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method, or the like. These film formation processes that can be used in the low temperature range provide the intermediate layer y without the use of baking in the high temperature range higher than 1100° C., for example. Therefore, mutual diffusion of elements between the metal support 1 and the anode electrode layer A can be suppressed without damaging the metal support 1, and a fuel cell R excellent in durability can be realized. Moreover, it is more preferable to use the low-temperature firing method because the raw material can be easily handled.

中間層yは、酸素イオン(酸化物イオン)伝導性を有する。また、酸素イオン(酸化物イオン)と電子との混合伝導性を有すると更に好ましい。これらの性質を有する中間層yは、燃料電池セルRへの適用に適している。 The intermediate layer y has oxygen ion (oxide ion) conductivity. Further, it is more preferable to have mixed conductivity of oxygen ions (oxide ions) and electrons. The intermediate layer y having these properties is suitable for application to the fuel cell R.

(電解質層)
電解質層Bは、アノード電極層Aおよび中間層yを覆った状態で、中間層yの上に薄層の状態で形成される。また、厚さが10μm以下の薄膜の状態で形成することもできる。
詳しくは電解質層Bは、図3~図5等に示すように、中間層yの上と金属支持体1の上とにわたって(跨って)設けられる。このように構成し、電解質層Bを金属支持体1に接合することで、電気化学素子全体として堅牢性に優れたものとすることができる。
(Electrolyte layer)
The electrolyte layer B is formed in a thin layer state on the intermediate layer y while covering the anode electrode layer A and the intermediate layer y. It can also be formed in the form of a thin film with a thickness of 10 μm or less.
Specifically, as shown in FIGS. 3 to 5 and the like, the electrolyte layer B is provided over (straddles) the intermediate layer y and the metal support 1 . By forming the electrochemical device in this manner and bonding the electrolyte layer B to the metal support 1, the electrochemical device as a whole can be made excellent in robustness.

また電解質層Bは、金属支持体1の表側であって貫通孔1aが設けられた領域より大きな領域に設けられる。つまり、貫通孔1aは金属支持体1における電解質層Bが形成された領域の内側に形成されている。 Further, the electrolyte layer B is provided on the front side of the metal support 1 in an area larger than the area in which the through holes 1a are provided. That is, the through hole 1a is formed inside the region of the metal support 1 where the electrolyte layer B is formed.

また電解質層Bの周囲においては、アノード電極層Aおよび中間層yからのガスのリークを抑制することができる。説明すると、発電時には、金属支持体1の裏側から貫通孔1aを通じてアノード電極層Aへガスが供給される。電解質層Bが金属支持体1に接している部位においては、ガスケット等の別部材を設けることなく、ガスのリークを抑制することができる。なお、本実施形態では電解質層Bによってアノード電極層Aの周囲をすべて覆っているが、アノード電極層Aおよび中間層yの上部に電解質層Bを設け、周囲にガスケット等を設ける構成としてもよい。 Further, around the electrolyte layer B, leakage of gas from the anode electrode layer A and the intermediate layer y can be suppressed. To explain, during power generation, gas is supplied from the back side of the metal support 1 to the anode electrode layer A through the through holes 1a. At the portion where the electrolyte layer B is in contact with the metal support 1, gas leakage can be suppressed without providing a separate member such as a gasket. In this embodiment, the electrolyte layer B covers the entire circumference of the anode electrode layer A, but the electrolyte layer B may be provided on the anode electrode layer A and the intermediate layer y, and a gasket or the like may be provided around the electrolyte layer B. .

電解質層Bの材料としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア)やGDC(ガドリウム・ドープ・セリア)、YDC(イットリウム・ドープ・セリア)、SDC(サマリウム・ドープ・セリア)、LSGM(ストロンチウム・マグネシウム添加ランタンガレート)等を用いることができる。特にジルコニア系のセラミックスが好適に用いられる。電解質層Bをジルコニア系セラミックスとすると、燃料電池セルRを用いたSOFCの稼働温度をセリア系セラミックスに比べて高くすることができる。SOFCとする場合、電解質層Bの材料としてYSZのような650℃程度以上の高温域でも高い電解質性能を発揮できる材料を用い、システムの原燃料に都市ガスやLPG等の炭化水素系の原燃料を用い、原燃料を水蒸気改質等によってSOFCの燃料ガスとするシステム構成とすると、SOFCのセルスタックで生じる熱を原燃料ガスの改質に用いる高効率なSOFCシステムを構築することができる。 Materials for the electrolyte layer B include YSZ (yttria-stabilized zirconia), SSZ (scandium-stabilized zirconia), GDC (gadolin-doped ceria), YDC (yttrium-doped ceria), and SDC (samarium-doped ceria). , LSGM (strontium-magnesium added lanthanum gallate) and the like can be used. In particular, zirconia-based ceramics are preferably used. When the electrolyte layer B is made of zirconia-based ceramics, the operating temperature of the SOFC using the fuel cells R can be made higher than that of ceria-based ceramics. In the case of SOFC, a material such as YSZ that can exhibit high electrolyte performance even in a high temperature range of about 650 ° C. or higher is used as the material of the electrolyte layer B, and the raw fuel of the system is a hydrocarbon-based fuel such as city gas or LPG. , and a system configuration in which the raw fuel is converted to SOFC fuel gas by steam reforming or the like, it is possible to construct a highly efficient SOFC system that uses the heat generated in the SOFC cell stack to reform the raw fuel gas.

電解質層Bは、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能な成膜プロセスにより、例えば1100℃を越える高温域での焼成を用いずに、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層Bが得られる。そのため、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1とアノード電極層Aとの元素相互拡散を抑制することができ、性能・耐久性に優れた燃料電池セルRを実現できる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、スプレーコーティング法を用いると、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層が低温域で容易に得られやすいので更に好ましい。 The electrolyte layer B can be formed by a low-temperature firing method (for example, a wet method using firing treatment in a low-temperature region without firing treatment in a high-temperature region exceeding 1100 ° C.) or a spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, etc.). method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method, or the like. By these film forming processes that can be used in a low temperature range, the electrolyte layer B that is dense and has high airtightness and gas barrier properties can be obtained without using sintering in a high temperature range exceeding 1100° C., for example. As a result, damage to the metal support 1 can be suppressed, and interdiffusion of elements between the metal support 1 and the anode electrode layer A can be suppressed, so that a fuel cell R with excellent performance and durability can be realized. In particular, it is preferable to use a low-temperature baking method, a spray coating method, or the like, since a low-cost device can be realized. Furthermore, the use of a spray coating method is more preferable because a dense electrolyte layer with high airtightness and gas barrier properties can be easily obtained in a low temperature range.

電解質層Bは、燃料ガスや酸化性ガスのガスリークを遮蔽し、かつ、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層Bの緻密度は90%以上が好ましく、95%以上であるとより好ましく、98%以上であると更に好ましい。電解質層Bは、均一な層である場合は、その緻密度が95%以上であると好ましく、98%以上であるとより好ましい。また、電解質層Bが、複数の層状に構成されているような場合は、そのうちの少なくとも一部が、緻密度が98%以上である層(緻密電解質層)を含んでいると好ましく、99%以上である層(緻密電解質層)を含んでいるとより好ましい。このような緻密電解質層が電解質層の一部に含まれていると、電解質層が複数の層状に構成されている場合であっても、緻密で気密性およびガスバリア性の高い電解質層を形成しやすくできるからである。 The electrolyte layer B is densely structured in order to shield gas leakage of fuel gas and oxidizing gas and to develop high ionic conductivity. The denseness of the electrolyte layer B is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and even more preferably 98% or more. When the electrolyte layer B is a uniform layer, it preferably has a denseness of 95% or more, more preferably 98% or more. Further, when the electrolyte layer B is composed of a plurality of layers, it is preferable that at least a part of them contain a layer (dense electrolyte layer) having a density of 98% or more, such as 99%. It is more preferable to include the above layer (dense electrolyte layer). When such a dense electrolyte layer is included in a part of the electrolyte layer, even when the electrolyte layer is composed of a plurality of layers, a dense electrolyte layer with high airtightness and gas barrier properties is formed. Because it can be done easily.

(反応防止層)
反応防止層zは、電解質層Bの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは2μm~50μm程度、より好ましくは3μm~15μm程度とすることができる。このような厚さにすると、高価な反応防止層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な性能を確保することが可能となる。反応防止層zの材料としては、電解質層Bの成分とカソード電極層Cの成分との間の反応を防止できる材料であれば良いが、例えばセリア系材料等が用いられる。また反応防止層zの材料として、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有する材料が好適に用いられる。なお、Sm、GdおよびYからなる群から選ばれる元素のうち少なくとも1つを含有し、これら元素の含有率の合計が1.0質量%以上10質量%以下であるとよい。反応防止層zを電解質層Bとカソード電極層Cとの間に導入することにより、カソード電極層Cの構成材料と電解質層Bの構成材料との反応が効果的に抑制され(拡散抑制)、燃料電池セルRの性能の長期安定性を向上できる。反応防止層zの形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1とアノード電極層Aとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた燃料電池セルRを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
(Reaction prevention layer)
The reaction prevention layer z can be formed on the electrolyte layer B in the form of a thin layer. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably about 2 μm to 50 μm, more preferably about 3 μm to 15 μm. With such a thickness, it is possible to reduce costs by reducing the amount of the expensive reaction-preventing layer material used, while ensuring sufficient performance. As the material of the reaction prevention layer z, any material that can prevent the reaction between the components of the electrolyte layer B and the cathode electrode layer C can be used. For example, a ceria-based material is used. A material containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y is preferably used as the material for the reaction prevention layer z. At least one element selected from the group consisting of Sm, Gd and Y is contained, and the total content of these elements is preferably 1.0% by mass or more and 10% by mass or less. By introducing the reaction-preventing layer z between the electrolyte layer B and the cathode electrode layer C, the reaction between the constituent material of the cathode electrode layer C and the constituent material of the electrolyte layer B is effectively suppressed (diffusion suppression), Long-term stability of the performance of the fuel cell R can be improved. If the reaction prevention layer z is formed by appropriately using a method that can be formed at a treatment temperature of 1100° C. or less, damage to the metal support 1 can be suppressed, and element interaction between the metal support 1 and the anode electrode layer A can be prevented. It is preferable because diffusion can be suppressed and a fuel cell R having excellent performance and durability can be realized. For example, low-temperature firing method (for example, wet method using firing treatment in low temperature range without firing treatment in high temperature range exceeding 1100 ° C.), spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method, etc. can be used as appropriate. In particular, it is preferable to use a low-temperature baking method, a spray coating method, or the like, since a low-cost device can be realized. Furthermore, it is more preferable to use the low-temperature firing method because the handling of the raw material is facilitated.

(カソード電極層)
カソード電極層Cは、電解質層Bもしくは反応防止層zの上に薄層の状態で形成することができる。薄層とする場合は、その厚さを、例えば、1μm~100μm程度、好ましくは、5μm~50μmとすることができる。このような厚さにすると、高価なカソード電極層材料の使用量を低減してコストダウンを図りつつ、十分な電極性能を確保することが可能となる。カソード電極層Cの材料としては、例えば、LSCF、LSM等の複合酸化物、セリア系酸化物およびこれらの混合物を用いることができる。特にカソード電極層Cが、La、Sr、Sm、Mn、CoおよびFeからなる群から選ばれる2種類以上の元素を含有するペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。以上の材料を用いて構成されるカソード電極層Cは、カソードとして機能する。
(Cathode electrode layer)
The cathode electrode layer C can be formed as a thin layer on the electrolyte layer B or the reaction prevention layer z. In the case of a thin layer, the thickness can be, for example, about 1 μm to 100 μm, preferably 5 μm to 50 μm. With such a thickness, it is possible to secure sufficient electrode performance while reducing the amount of expensive cathode electrode layer material used to reduce costs. As a material for the cathode electrode layer C, for example, composite oxides such as LSCF and LSM, ceria-based oxides, and mixtures thereof can be used. In particular, the cathode electrode layer C preferably contains a perovskite oxide containing two or more elements selected from the group consisting of La, Sr, Sm, Mn, Co and Fe. The cathode electrode layer C composed of the above materials functions as a cathode.

なお、カソード電極層Cの形成は、1100℃以下の処理温度で形成できる方法を適宜用いて行うと、金属支持体1の損傷を抑制し、また、金属支持体1とアノード電極層Aとの元素相互拡散を抑制でき、性能・耐久性に優れた燃料電池セルRを実現できるので好ましい。例えば、低温焼成法(例えば1100℃を越える高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)、スプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PDV法(スパッ
タリング法、パルスレーザーデポジション法など)、CVD法などを適宜用いて行うことができる。特に、低温焼成法やスプレーコーティング法などを用いると低コストな素子が実現できるので好ましい。更に、低温焼成法を用いると、原材料のハンドリングが容易になるので更に好ましい。
When the cathode electrode layer C is formed by appropriately using a method that can be formed at a processing temperature of 1100° C. or less, damage to the metal support 1 can be suppressed and the metal support 1 and the anode electrode layer A can be formed. It is preferable because it is possible to suppress interdiffusion of elements and realize a fuel cell R having excellent performance and durability. For example, low-temperature firing method (for example, wet method using firing treatment in low temperature range without firing treatment in high temperature range exceeding 1100 ° C.), spray coating method (thermal spraying method, aerosol deposition method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), PDV method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method, etc. can be used as appropriate. In particular, it is preferable to use a low-temperature baking method, a spray coating method, or the like, since a low-cost device can be realized. Furthermore, it is more preferable to use the low-temperature firing method because the handling of the raw material is facilitated.

燃料電池単セルユニットUでは、金属支持体1とアノード電極層Aとの間、及びカソード電極層Cとセパレータ7との間の電気伝導性を確保している。また、必要に応じて、金属支持体1の表面の必要な部分に、絶縁被膜を形成してもよい。さらに、燃料ガス供給路L1と酸化性ガス供給路L2との独立性は確保され、これら供給路L1、L2を横断する方向においてガスがリークすることはない。 In the fuel cell single cell unit U, electrical conductivity is ensured between the metal support 1 and the anode electrode layer A and between the cathode electrode layer C and the separator 7 . Moreover, an insulating coating may be formed on a necessary portion of the surface of the metal support 1 as necessary. Furthermore, the independence of the fuel gas supply path L1 and the oxidizing gas supply path L2 is ensured, and gas does not leak in the direction crossing these supply paths L1 and L2.

<燃料電池セルでの発電>
燃料電池セルRは、燃料ガス及び酸化性ガスの両方の供給を受けて発電する。このように両ガスが燃料電池セルRの各電極層(アノード電極層A及びカソード電極層C)供給されることで、図5に示す様に、カソード電極層Cにおいて酸素分子Oが電子e-と反応して酸素イオンO2-が生成される。その酸素イオンO2-が電解質層Bを通ってアノード電極層Aへ移動する。アノード電極層Aにおいては、発電用燃料ガスである(水素Hおよび一酸化炭素CO)がそれぞれ酸素イオンO2-と反応し、水蒸気HO、二酸化炭素COと電子e-が生成される。以上の反応により、アノード電極層Aとカソード電極層Cとの間に起電力が発生し、発電が行われる。
<Power generation with fuel cells>
The fuel cell R generates power by being supplied with both the fuel gas and the oxidizing gas. By supplying both gases to each electrode layer (anode electrode layer A and cathode electrode layer C) of the fuel cell R in this way, as shown in FIG . - to generate oxygen ions O 2- . The oxygen ions O 2− move to the anode electrode layer A through the electrolyte layer B. In the anode electrode layer A, the fuel gas for power generation (hydrogen H 2 and carbon monoxide CO) respectively reacts with oxygen ions O 2- to generate water vapor H 2 O, carbon dioxide CO 2 and electrons e-. be. Due to the above reaction, an electromotive force is generated between the anode electrode layer A and the cathode electrode layer C, and power is generated.

以上が、本発明に係る燃料電池の基本構成に関する説明であるが、以下、本発明の特徴となる「内部改質触媒層」及び「乱流促進体」の順に、主に図2~図5を参照して説明する。 The above is an explanation of the basic configuration of the fuel cell according to the present invention. Hereinafter, mainly FIGS. will be described with reference to

<内部改質触媒層>
燃料電池単セルユニットUは、金属セパレータ7と金属支持体1との間に、アノード電極層Aに水素を含有するガスを供給する燃料ガス供給路L1が形成されている。そして、図2、3、4に矢印でも示すようにこの燃料ガス供給路L1を流れるガスは、ガスマニホールド40a側から、その長手方向に供給される。図5においては、紙面表裏方向となる。金属支持体1の表裏を貫通して設けられた貫通孔1aを介して、アノード電極層Aに発電反応用の水素を供給する。
<Internal reforming catalyst layer>
In the fuel cell single cell unit U, a fuel gas supply path L1 for supplying a gas containing hydrogen to the anode electrode layer A is formed between the metal separator 7 and the metal support 1 . As indicated by arrows in FIGS. 2, 3 and 4, the gas flowing through the fuel gas supply path L1 is supplied from the side of the gas manifold 40a in its longitudinal direction. In FIG. 5, it is the front and back direction of the paper surface. Hydrogen for power generation reaction is supplied to the anode electrode layer A through the through-holes 1 a provided through the front and back of the metal support 1 .

ここで、燃料電池セルR内に於ける発電反応は、先に説明した通りであるが、この反応に伴って、アノード電極層Aから貫通孔1a、燃料ガス供給路L1には、水蒸気HOが放出される。結果、本発明の燃料ガス供給路L1は、水素Hを含有する燃料ガスをアノード電極層Aに供給する供給部となっていると同時に、水蒸気HOの排出部ともなっている。 Here, the power generation reaction in the fuel cell R is as described above. As a result of this reaction, water vapor H 2 flows from the anode electrode layer A to the through hole 1a and the fuel gas supply path L1. O is released. As a result, the fuel gas supply path L1 of the present invention serves as a supply section for supplying fuel gas containing hydrogen H2 to the anode electrode layer A, and at the same time serves as a discharge section for water vapor H2O .

そこで、本発明では、図3~図5に示すように、金属セパレータ7の燃料ガス供給路L1側の面(金属支持体1側の面)に、内部改質触媒層Dを設けている。
燃料ガス供給路L1には、外部改質により得られる水素Hの他、改質対象となる原燃料ガス(改質前ガス:具体的にはメタンCHを主成分とする還元性ガス)が流れるが、アノード電極層Aにおいて生成する水蒸気HOを燃料ガス供給路L1に戻すことにより、この燃料ガス供給路L1に流入して原燃料ガスを改質することができる。当然、生成される水素Hや一酸化炭素COは、下流側において貫通孔1aを介してアノード電極層Aに供給して、発電の用に供することができる。
Therefore, in the present invention, as shown in FIGS. 3 to 5, an internal reforming catalyst layer D is provided on the surface of the metal separator 7 on the side of the fuel gas supply path L1 (the surface on the side of the metal support 1).
In the fuel gas supply path L1, in addition to hydrogen H2 obtained by external reforming, raw fuel gas to be reformed (gas before reforming: specifically reducing gas mainly composed of methane CH4 ) However, by returning the water vapor H 2 O generated in the anode electrode layer A to the fuel gas supply path L1, it can flow into the fuel gas supply path L1 and reform the raw fuel gas. Naturally, the generated hydrogen H 2 and carbon monoxide CO can be supplied to the anode electrode layer A through the through holes 1a on the downstream side and used for power generation.

内部改質触媒層Dの材料としては、例えば、ニッケル、ルテニウム、白金などの改質触媒を保持したセラミック製の多孔質粒状体の多数が通気可能な状態で形成できる。
なお、この内部改質触媒層Dに含有するNiの量は、0.1質量%以上50質量%以下の範囲とできる。なお、内部改質触媒層DがNiを含有する場合のNiの含有量は、1質量%以上であるとより好ましく、5質量%以上であると更に好ましい。このようにすることで、より高い内部改質性能が得られるからである。
一方、内部改質触媒層DがNiを含有する場合のNiの含有量は、45質量%以下であるとより好ましく、40質量%以下であると更に好ましい。このようにすることで、燃料電池装置のコストをより低減できるようになるからである。またNiを担体に担持することもこのましい。
また、この内部改質触媒層Dは、低温焼成法(例えば1100℃より高い高温域での焼成処理をしない低温域での焼成処理を用いる湿式法)やスプレーコーティング法(溶射法やエアロゾルデポジション法、エアロゾルガスデポジッション法、パウダージェットデポジッション法、パーティクルジェットデポジション法、コールドスプレー法などの方法)、PVD法(スパッタリング法やパルスレーザーデポジション法など)、CVD法などにより形成することが好ましい。これらの、低温域で使用可能なプロセスにより、内部改質触媒層Dを設ける燃料ガス供給路L1(例えば、金属支持体1、金属セパレータ7)の高温加熱によるダメージを抑制しつつ、良好な内部改質触媒層Dを形成し、耐久性に優れた燃料電池単セルユニットUを実現できるからである。また、金属支持体1や金属セパレータ7の表面に拡散抑制層xを形成した後、内部改質触媒層Dを形成すると、金属支持体1や金属セパレータ7からのCrの飛散を抑制できるので好ましい。
As the material of the internal reforming catalyst layer D, for example, a large number of ceramic porous granules holding a reforming catalyst such as nickel, ruthenium or platinum can be formed in an air permeable state.
The amount of Ni contained in the internal reforming catalyst layer D can be in the range of 0.1% by mass or more and 50% by mass or less. When the internal reforming catalyst layer D contains Ni, the Ni content is more preferably 1% by mass or more, and even more preferably 5% by mass or more. This is because by doing so, higher internal reforming performance can be obtained.
On the other hand, when the internal reforming catalyst layer D contains Ni, the Ni content is more preferably 45% by mass or less, and even more preferably 40% by mass or less. By doing so, the cost of the fuel cell device can be further reduced. It is also preferable to support Ni on a carrier.
In addition, the internal reforming catalyst layer D can be formed by a low-temperature firing method (for example, a wet method using a firing process in a low-temperature range without firing in a high-temperature range higher than 1100 ° C.) or a spray coating method (thermal spraying or aerosol deposition). method, aerosol gas deposition method, powder jet deposition method, particle jet deposition method, cold spray method, etc.), PVD method (sputtering method, pulse laser deposition method, etc.), CVD method, etc. preferable. By these processes that can be used in a low temperature range, a good internal This is because the reforming catalyst layer D can be formed and the fuel cell single cell unit U having excellent durability can be realized. Further, it is preferable to form the internal reforming catalyst layer D after forming the diffusion suppression layer x on the surfaces of the metal support 1 and the metal separator 7, since scattering of Cr from the metal support 1 and the metal separator 7 can be suppressed. .

このような内部改質触媒層Dは、その厚さを、例えば、0.1μm以上にすると好ましく、0.5μm以上にするとより好ましく、1μm以上にすると更に好ましい。このような厚さにすることで、燃料ガスや水蒸気との接触面積を増やして、内部改質率を高められるからである。また、その厚さを、例えば、500μm以下にすると好ましく、300μm以下にするとより好ましく、100μm以下にすると更に好ましい。このような厚さにすることで、高価な内部改質触媒材料の使用量を低減してコストダウンを図ることができるからである。 Such an internal reforming catalyst layer D preferably has a thickness of, for example, 0.1 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and even more preferably 1 μm or more. This is because such a thickness increases the contact area with the fuel gas and water vapor, thereby increasing the internal reforming rate. Also, the thickness is preferably 500 μm or less, more preferably 300 μm or less, and even more preferably 100 μm or less, for example. This is because such a thickness can reduce the amount of the expensive internal reforming catalyst material used, thereby reducing costs.

再度、図5に戻って、この内部改質触媒層Dでの水蒸気改質反応に関して簡単に説明しておく。同図に示すように、燃料電池単セルユニットUに内部改質触媒層Dを設けることで、燃料ガス供給路L1に供給される原燃料ガスに含まれるCHを以下のように改質して、発電用燃料ガスとなる水素Hを生成することができる。 Returning to FIG. 5 again, the steam reforming reaction in this internal reforming catalyst layer D will be briefly described. As shown in the figure, by providing an internal reforming catalyst layer D in the fuel cell single cell unit U, CH 4 contained in the raw fuel gas supplied to the fuel gas supply path L1 is reformed as follows. Thus, hydrogen H 2 can be produced as a fuel gas for power generation.

〔化1〕
CH+HO→CO+3H
〔化2〕
CO+HO→CO+H
〔化3〕
CH+2HO→CO+4H
[Chemical 1]
CH4 + H2O →CO+ 3H2
[Chemical 2]
CO+ H2OCO2 + H2
[Chemical 3]
CH4 + 2H2OCO2 + 4H2

この燃料ガス供給路L1(内部改質触媒層D)の温度は、事実上、燃料電池セルRの作動温度である600℃~900℃となっている。 The temperature of this fuel gas supply path L1 (internal reforming catalyst layer D) is practically 600° C. to 900° C., which is the operating temperature of the fuel cell R.

本発明においては、燃料ガス供給路L1が、混合ガスの供給側から排出側へ流れ、その間に設けられた複数(多数)の貫通孔1aに対して、水素Hを含有するガスのアノード電極層Aへの流通が行われる。そして、アノード電極層Aで生成される水蒸気HOを内部改質触媒層Dに戻すことで少なくとも水蒸気改質を行い、発電用燃料ガスである水素および一酸化炭素を生成させて、下流側に位置する貫通孔1aから水素Hを含む発電用燃料ガスをアノード電極層Aへ供給して発電を行うことが可能となる。そこで、このようなガスの経路を内部改質燃料供給路L3と呼び、生成される水蒸気HOの排出側を排出部L3aと呼び、内部改質された水素Hの供給側を供給部L3bと呼ぶ。この排出部L3aは水蒸気供給路である。なお、排出部L3aは供給部L3bとしての機能を同時に担うこともできるし、供給部L3bが排出部L3aとしての機能を同時に担うこともできる。 In the present invention, the fuel gas supply path L1 flows from the supply side of the mixed gas to the discharge side, and the anode electrode of the gas containing hydrogen H2 is supplied to the plurality (a large number) of through holes 1a provided therebetween. Distribution to layer A takes place. Then, at least steam reforming is performed by returning the steam H 2 O generated in the anode electrode layer A to the internal reforming catalyst layer D, and hydrogen and carbon monoxide, which are fuel gases for power generation, are generated, and the downstream side Power generation fuel gas containing hydrogen H 2 can be supplied to the anode electrode layer A from the through-hole 1a located at . Therefore, such a gas path is called an internal reformed fuel supply path L3, the discharge side of the generated steam H 2 O is called a discharge part L3a, and the supply side of internally reformed hydrogen H 2 is a supply part Call it L3b. This discharge part L3a is a steam supply path. Note that the discharge part L3a can also serve as the supply part L3b at the same time, and the supply part L3b can also serve the function as the discharge part L3a at the same time.

以上が、燃料ガスの供給側の工夫であるが、本発明のように、燃料電池単セルユニットU内に内部改質触媒層Dを備え、内部改質により得られる水素や一酸化炭素を電池燃料とする構成では、発電により生成される水蒸気が水蒸気改質で消費されるため、先に説明したアノードオフガスに含まれる水蒸気凝縮用に備えるべき凝縮器32bの負荷が低減される。結果、本発明に係る燃料電池装置Yは、この点からも有利となる。 The above is the device on the supply side of the fuel gas. In the configuration using fuel, the steam generated by power generation is consumed in steam reforming, so the load on the condenser 32b, which should be provided for condensation of the steam contained in the anode off-gas described above, is reduced. As a result, the fuel cell device Y according to the present invention is also advantageous from this point of view.

内部改質触媒層を設ける位置の工夫
燃料電池モジュールMは、上面視、実質方形の箱型に形成され、燃料ガス及び酸化性ガスの流れ方向が特定一方向とされる。図4における、この方向は図上右上がりとなる。
Ingenuity of Position of Internal Reforming Catalyst Layer The fuel cell module M is formed in a substantially square box shape when viewed from the top, and the flow direction of the fuel gas and the oxidizing gas is set to one specific direction. In FIG. 4, this direction is upward to the right.

さて、上記の内部改質触媒層Dを設ける位置であるが、燃料ガスをアノード電極層Aに供給するため、及びアノード電極層Aで発生する水蒸気を燃料ガス供給路L1に排出するために設けられる貫通孔1aであって、燃料ガスの流れ方向において、最も上流側にある貫通孔1aと同一位置からその下流側となる位置に、内部改質触媒層Dを限定している。
このような位置から内部改質触媒層Dを設けることで、アノード電極層Aで発生する水蒸気を、有効に本発明の目的に従って使用することができる。
The position where the internal reforming catalyst layer D is provided is provided to supply fuel gas to the anode electrode layer A and to discharge water vapor generated in the anode electrode layer A to the fuel gas supply path L1. The internal reforming catalyst layer D is limited to a position on the downstream side from the same position as the most upstream through hole 1a in the flow direction of the fuel gas.
By providing the internal reforming catalyst layer D from such a position, the water vapor generated in the anode electrode layer A can be effectively used according to the object of the present invention.

乱流促進体を設ける工夫
図1、3、4に示すように、アノード電極層Aに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路L1には、この路内の流れを乱す乱流促進体Eが設けられている。
さらに詳細には、金属支持体1を貫通して形成されている貫通孔1aに対して、その燃料ガス流入側となる、燃料電池セルRの形成面とは反対側の面に、網状体Eaが設けられている。この網状体Eaは具体的にはラスメタルや金属金網を金属支持体1上に張り付けて形成する。結果、燃料ガス供給路L1を流れる水素を含有するガスは、この網状体Eaにより乱され、貫通孔1aへ向かう流れ方向成分、及び貫通孔1aから流出する流れを誘起し、燃料ガスのアノード電極層Aへの供給、アノード電極層Aからの水蒸気の導出を良好に起こすことができる。
Arrangement of Turbulence Promoter As shown in FIGS. 1, 3 and 4, the fuel gas supply path L1 for supplying the fuel gas to the anode electrode layer A is provided with a turbulence promoter E for disturbing the flow in this path. It is
More specifically, on the surface opposite to the surface on which the fuel cells R are formed, which is the fuel gas inflow side of the through-holes 1a formed through the metal support 1, the net-like body Ea is provided. Specifically, the mesh Ea is formed by attaching a lath metal or a metal wire mesh onto the metal support 1 . As a result, the hydrogen-containing gas flowing through the fuel gas supply path L1 is disturbed by the mesh Ea, inducing a flow direction component toward the through-holes 1a and a flow out of the through-holes 1a. Supply to the layer A and derivation of water vapor from the anode electrode layer A can be favorably caused.

<別実施形態>
(1)上記の実施形態では、燃料電池が酸化物イオン伝導型の固体酸化物形燃料電池である例を示したが、内部改質触媒層D及び乱流促進体Eを燃料ガス供給路L1に設ける点は、プロトン伝導型においても、還元性ガスである燃料ガスをアノード電極層Aに良好に到達させるという点において、採用することができる。ここで、プロトン伝導型の場合は、内部改質触媒層Dにおいて必要となる水蒸気は外部から供給することとなるため、酸化物イオン伝導型の例と比して、内部改質に必要とする水蒸気を余分に供給することとなる。
<Another embodiment>
(1) In the above embodiment, the fuel cell is an oxide ion conductive solid oxide fuel cell. can be employed in the proton-conducting type as well, in that the fuel gas, which is a reducing gas, reaches the anode electrode layer A satisfactorily. Here, in the case of the proton-conducting type, the water vapor required for the internal reforming catalyst layer D is supplied from the outside. An excess amount of water vapor is supplied.

(2)上記の実施形態では、内部改質触媒層Dを、燃料ガス供給路L1を構成する金属セパレータ7の表面に設ける例を示したが、金属支持体1における、アノード電極層Aの形成側とは反対側の面に設けてもよいし、貫通孔1a内に設けてもよい。即ち、燃料電池単セルユニットU内において燃料ガス供給路L1となる流路に接して、その内面の少なくとも一部に設けることで、内部改質を良好に誘起することができる。 (2) In the above embodiment, the internal reforming catalyst layer D is provided on the surface of the metal separator 7 constituting the fuel gas supply path L1. It may be provided on the surface opposite to the side, or may be provided in the through hole 1a. That is, internal reforming can be favorably induced by providing at least part of the inner surface of the fuel cell single cell unit U so as to be in contact with the flow path serving as the fuel gas supply path L1.

(3)上記の実施形態では乱流促進体Eを網状体Eaで形成するとともに、金属支持体1の面に張り付ける構成としたが、燃料ガス供給路L1内の流れを貫通孔1a方向に方向づける機能を有すればよく、燃料ガス供給路L1の流れを乱す障害体Ebを多数配置することとしてもよい。この障害体Ebとしては、球状、三角錘状、方形柱状体等、任意の形状とすることができる。図6に、障害体Ebを球状とする場合の例を示した。 (3) In the above embodiment, the turbulence promoter E is formed of the mesh Ea and attached to the surface of the metal support 1. A large number of obstacles Eb may be arranged to disturb the flow of the fuel gas supply path L1 as long as it has a directing function. The obstacle Eb may be of any shape, such as a spherical shape, a triangular pyramid shape, or a square columnar shape. FIG. 6 shows an example in which the obstacle Eb is spherical.

(4)上記の実施形態では、内部改質触媒層Dと乱流促進体Eとを独立のものとして説明したが、例えば、先に説明した網状体Eaの表面の少なくとも一部に、或いは障害体Ebの少なくとも一部に内部改質触媒層Dを設けてもよい。図7に、この例を示した。
即ち、乱流促進体Eの少なくとも一部(図示する例では表面)に内部改質触媒層Dを設けることで、この乱流促進体Eを配置して、乱流促進と内部改質との両方の機能を発揮させることができる。
(4) In the above embodiment, the internal reforming catalyst layer D and the turbulence promoter E are described as being independent. An internal reforming catalyst layer D may be provided on at least part of the body Eb. An example of this is shown in FIG.
That is, by providing the internal reforming catalyst layer D on at least a part (the surface in the illustrated example) of the turbulent flow promoter E, the turbulent flow promoter E is arranged to achieve both turbulence promotion and internal reforming. Both functions can be exhibited.

(5)上記の実施形態では、アノードオフガスに含有される水蒸気を、水蒸気改質に利用したが、この構造を採用することなく、アノードオフガスを燃焼器(図示省略)に導き、アノードオフガスの有する燃焼成分(水素、一酸化炭素等)の有する熱を回収してもよい。 (5) In the above embodiment, the steam contained in the anode off-gas was used for steam reforming. The heat of combustion components (hydrogen, carbon monoxide, etc.) may be recovered.

(6)金属支持体1の材料として、導電性を有する金属酸化物を用いることもできる。
例えば、(La,Ca)CrO3(カルシウムドープランタンクロマイト)に代表される金属酸化物等を用いることもできる。
(6) As the material of the metal support 1, a metal oxide having conductivity can be used.
For example, metal oxides such as (La, Ca)CrO 3 (calcium-doped lanthanum chromite) can be used.

(7)これまで説明した実施形態では、金属支持体1を平板部材としたが、この金属支持体1が、複数の部材からなり、内部に燃料ガス供給路L1を形成する構造としてもよい。図8に、図5に対応する例を示した。この例では、平板部材72とU字部材73との組み合わせで、金属支持体1を構成し、筒内に形成する燃料ガス供給路L1の内部に乱流促進体となるメッシュEa(E)を配置し、その外表面にも内部改質触媒層Dを形成している。同図において、77は金属支持体1の燃料ガスの流通方向先端に設けられる燃料ガスの排出孔である。さらに、78はこれまで説明してきた貫通孔である。この例では、集電板として働くセパレータCPをガス透過性とすることにより、酸化性ガスはセパレータCP内に形成される酸化性ガス供給路L2を透過してカソード電極層Cに供給することができる。 (7) In the embodiments described so far, the metal support 1 is a flat plate member, but the metal support 1 may be made up of a plurality of members and may have a structure in which the fuel gas supply path L1 is formed therein. FIG. 8 shows an example corresponding to FIG. In this example, a combination of a flat plate member 72 and a U-shaped member 73 constitutes the metal support 1, and a mesh Ea (E) serving as a turbulence promoter is provided inside the fuel gas supply path L1 formed in the cylinder. An internal reforming catalyst layer D is also formed on the outer surface thereof. In FIG. 7, reference numeral 77 denotes a fuel gas discharge hole provided at the tip of the metal support 1 in the flow direction of the fuel gas. Furthermore, 78 is the through hole explained so far. In this example, by making the separator CP functioning as a current collector plate gas permeable, the oxidizing gas can pass through the oxidizing gas supply path L2 formed in the separator CP and be supplied to the cathode electrode layer C. can.

(8)これまで説明した実施形態では、外部改質器34を備え、この外部改質器34で、原燃料ガスの少なくとも一部を改質して、燃料電池単セルユニットUに備えられる燃料ガス供給路L1に水素を含有するガスを供給する例を示したが、本発明では、燃料ガス供給路L1とアノード電極層Aとの間のガスの流通を乱流促進体Eにより促進できることから、外部改質器を備えることなく、燃料ガス供給路L1に備える内部改質触媒層Dにおいて発電に必要となる原燃料ガスの改質をおこなってもよい。即ち、燃料電池単セルユニットU内に備えられる燃料ガス供給路L1全体に水素(改質済ガス)が流れている必要はない。 (8) In the embodiments described so far, the external reformer 34 is provided, and at least a part of the raw fuel gas is reformed by the external reformer 34 to produce the fuel that is provided in the fuel cell single cell unit U. Although an example in which the gas containing hydrogen is supplied to the gas supply path L1 has been shown, in the present invention, the flow of gas between the fuel gas supply path L1 and the anode electrode layer A can be promoted by the turbulence promoter E. Alternatively, the raw fuel gas required for power generation may be reformed in the internal reforming catalyst layer D provided in the fuel gas supply path L1 without providing an external reformer. That is, hydrogen (reformed gas) does not need to flow through the entire fuel gas supply path L1 provided in the fuel cell single cell unit U.

(9)上述の実施形態では、金属支持体1と電解質層Bとの間にアノード電極層Aを配置し、電解質層Bからみて金属支持体1と反対側にカソード電極層Cを配置した。アノード電極層Aとカソード電極層Cとを逆に配置する構成も可能である。つまり、金属支持体1と電解質層Bとの間にカソード電極層Cを配置し、電解質層Bからみて金属支持体1と反対側にアノード電極層Aを配置する構成も可能である。この場合、還元性ガス供給路L1と酸化性ガス供給路L2の位置関係は逆転させ、これまでも説明してきたように、還元性ガス供給路L1側(この場合は金属セパレータ7の下側)に内部改質触媒層Dと乱流促進体を設けることで、本発明の目的を達成できる。 (9) In the above embodiment, the anode electrode layer A is arranged between the metal support 1 and the electrolyte layer B, and the cathode electrode layer C is arranged on the side opposite to the metal support 1 when viewed from the electrolyte layer B. A configuration in which the anode electrode layer A and the cathode electrode layer C are arranged in reverse is also possible. In other words, a configuration is also possible in which the cathode electrode layer C is arranged between the metal support 1 and the electrolyte layer B, and the anode electrode layer A is arranged on the side opposite to the metal support 1 when viewed from the electrolyte layer B. In this case, the positional relationship between the reducing gas supply path L1 and the oxidizing gas supply path L2 is reversed, and as described above, the reducing gas supply path L1 side (in this case, the lower side of the metal separator 7) The object of the present invention can be achieved by providing the internal reforming catalyst layer D and the turbulence promoter in the .

(10)上記の実施形態では、メタンの水蒸気改質反応を行う場合の例を示したが、水蒸気改質反応以外の部分燃焼(酸化)改質反応やドライリフォーミング反応および、それらの各燃料改質反応を組み合わせた燃料改質反応を行うこともできる。 (10) In the above embodiment, an example of the case of performing a steam reforming reaction of methane was shown, but partial combustion (oxidation) reforming reaction other than steam reforming reaction, dry reforming reaction, and their respective fuels It is also possible to carry out a fuel reforming reaction that combines reforming reactions.

(11)上記の実施形態では、都市ガス(メタンを主成分としてエタンやプロパン、ブタンなどを含むガス)等の炭化水素系ガスを原燃料ガスとして使用する例を示したが、原燃料ガスとしては、天然ガス、ナフサ、灯油等の炭化水素類や、メタノールやエタノール等のアルコール類、DME等のエーテル類などを原燃料ガスとして使用することもできる。 これまでの説明において、アノード電極層に供給するガスを還元性ガスと称しているが、このガスは燃料電池セルR内の反応にあっては、燃料電池の発電反応に供することのできる燃料となるガスである。この種のガスには、比較的高温域で作動する酸化物イオン伝導型の燃料電池、例えば、固体酸化物形燃料電池の場合、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素が含まれる。 (11) In the above embodiment, an example of using a hydrocarbon gas such as city gas (gas containing ethane, propane, butane, etc. with methane as the main component) is used as the raw fuel gas. Hydrocarbons such as natural gas, naphtha and kerosene, alcohols such as methanol and ethanol, and ethers such as DME can also be used as raw fuel gases. In the description so far, the gas supplied to the anode electrode layer is called a reducing gas. gas. This type of gas includes hydrocarbons such as hydrogen, carbon monoxide, and methane in the case of an oxide ion-conducting fuel cell that operates in a relatively high temperature range, such as a solid oxide fuel cell.

(12)上記の実施形態では、アノード電極層Aと電解質層Bの間に中間層yを設置し、また、電解質層Bとカソード電極層Cの間に反応防止層zを設置する場合に関して説明したが、中間層yや反応防止層zのような電極層と電解質層の間に介在させる介在層を設置しない構成とすることもできるし、どちらか一方の介在層だけ設置することもできる。また必要に応じて、介在層の数を増やすこともできる。 (12) In the above embodiment, the intermediate layer y is provided between the anode electrode layer A and the electrolyte layer B, and the reaction prevention layer z is provided between the electrolyte layer B and the cathode electrode layer C. However, it is also possible to adopt a configuration in which no intervening layer such as the intermediate layer y or the reaction prevention layer z is interposed between the electrode layer and the electrolyte layer, or only one of the intervening layers may be installed. Also, the number of intervening layers can be increased as needed.

(13)上記の実施形態では、金属支持体1の表面に拡散抑制層としての金属酸化物層xを設置した場合に関して説明したが、必要に応じて、金属酸化物層xを設置しない構成とすることもできるし、金属酸化物層xを複数の層にすることもできる。また、金属酸化物層と異なる拡散抑制層を備えることもできる。 (13) In the above embodiment, the case where the metal oxide layer x is provided as the diffusion suppressing layer on the surface of the metal support 1 has been described. Alternatively, the metal oxide layer x can be a plurality of layers. It is also possible to provide a diffusion suppression layer different from the metal oxide layer.

なお、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 It should be noted that the configurations disclosed in the above embodiments (including other embodiments, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with configurations disclosed in other embodiments as long as there is no contradiction. The embodiments disclosed in this specification are exemplifications, and the embodiments of the present invention are not limited thereto, and can be modified as appropriate without departing from the object of the present invention.

1 :金属支持体(支持体)
1a :貫通孔
7 :金属セパレータ(セパレータ)
34 :外部改質器
38 :インバータ
72 :平板部材
73 :U字部材
78 :貫通孔
A :アノード電極層
B :電解質層
C :カソード電極層
CP :集電板(セパレータ)
D :内部改質触媒層
E :乱流促進体
Ea :網状体(乱流促進体)
Eb :障害体(乱流促進体)
L1 :還元性ガス供給路
L2 :酸化性ガス供給路
M :燃料電池モジュール
R :燃料電池セル
U :燃料電池単セルユニット
Y :燃料電池装置

1: metal support (support)
1a: Through hole 7: Metal separator (separator)
34: External reformer 38: Inverter 72: Flat plate member 73: U-shaped member 78: Through hole A: Anode electrode layer B: Electrolyte layer C: Cathode electrode layer CP: Current collector (separator)
D: Internal reforming catalyst layer E: Turbulence promoter Ea: Reticulated body (turbulence promoter)
Eb: Obstacle (turbulence promoter)
L1: reducing gas supply path L2: oxidizing gas supply path M: fuel cell module R: fuel cell unit U: fuel cell single cell unit Y: fuel cell device

Claims (18)

電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、
前記アノード電極層に還元性ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記カソード電極層に
酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池単セルユニットを構成可能な構造体であって、
前記燃料ガス供給路に、原燃料ガスを改質する内部改質触媒層と、当該燃料ガス供給路内の流れを乱す乱流促進体とを設け、
前記燃料電池セルが支持体上に層状に形成され、
前記支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記支持体の一方の面に前記アノード電極層が設けられるとともに、他方の面側に入口及び出口を有し、且つ前記他方の面に沿っ前記燃料ガス供給路が設けられ
前記複数の貫通孔はアノード電極層において生成する水蒸気を前記燃料ガス供給路に戻すとともに、前記内部改質触媒層において改質されたガスを前記燃料ガス供給路から前記アノード電極層に供給する燃料電池構造体。
a fuel cell in which an anode electrode layer and a cathode electrode layer are formed with an electrolyte layer sandwiched therebetween;
A structure capable of forming a fuel cell single cell unit, comprising a fuel gas supply path for supplying a reducing gas to the anode electrode layer and an oxidizing gas supply path for supplying an oxygen-containing gas to the cathode electrode layer. and
The fuel gas supply path is provided with an internal reforming catalyst layer that reforms the raw fuel gas and a turbulence promoter that disturbs the flow in the fuel gas supply path,
The fuel cell is formed in layers on a support,
A plurality of through-holes penetrating through the support are provided,
The anode electrode layer is provided on one surface of the support, and the fuel gas supply path is provided along the other surface, having an inlet and an outlet on the other surface side ,
The plurality of through-holes return water vapor generated in the anode electrode layer to the fuel gas supply channel, and supply the gas reformed in the internal reforming catalyst layer from the fuel gas supply channel to the anode electrode layer. battery structure.
電解質層を挟んでアノード電極層とカソード電極層が形成された燃料電池セルと、
前記アノード電極層に還元性ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記カソード電極層に酸素を含有するガスを供給する酸化性ガス供給路とを備えた燃料電池単セルユニットを構成可能な構造体であって、
前記燃料ガス供給路に、原燃料ガスを改質する内部改質触媒層と、当該燃料ガス供給路内の流れを乱す乱流促進体とを設け、
前記燃料ガス供給路と前記酸化性ガス供給路とを仕切る少なくとも一つのセパレータを備え、
前記燃料電池セルが支持体上に層状に形成され、
前記支持体を貫通する貫通孔が複数設けられ、
前記支持体の一方の面に前記アノード電極層が設けられ、他方の面側に入口及び出口を有するガス供給路であって前記他方の面に沿った前記燃料ガス供給路が前記支持体と前記セパレータとの間に設けられ、
前記セパレータの前記燃料ガス供給路側の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる燃料電池構造体。
a fuel cell in which an anode electrode layer and a cathode electrode layer are formed with an electrolyte layer sandwiched therebetween;
A structure capable of forming a fuel cell single cell unit, comprising a fuel gas supply path for supplying a reducing gas to the anode electrode layer and an oxidizing gas supply path for supplying an oxygen-containing gas to the cathode electrode layer. and
The fuel gas supply path is provided with an internal reforming catalyst layer that reforms the raw fuel gas and a turbulence promoter that disturbs the flow in the fuel gas supply path,
comprising at least one separator separating the fuel gas supply channel and the oxidizing gas supply channel;
The fuel cell is formed in layers on a support,
A plurality of through-holes penetrating through the support are provided,
The anode electrode layer is provided on one surface of the support, and a gas supply passage having an inlet and an outlet on the other surface side, wherein the fuel gas supply passage along the other surface is connected to the support and the gas supply passage. provided between the separator,
A fuel cell structure in which the internal reforming catalyst layer is provided on at least a portion of the separator on the side of the fuel gas supply path.
前記燃料ガス供給路の内面の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる請求項1記載の燃料電池構造体。 2. The fuel cell structure according to claim 1, wherein the internal reforming catalyst layer is provided on at least part of the inner surface of the fuel gas supply passage. 前記貫通孔の内部に前記内部改質触媒層を設ける請求項1記載の燃料電池構造体。 2. The fuel cell structure according to claim 1, wherein said internal reforming catalyst layer is provided inside said through hole. 前記燃料ガス供給路と前記酸化性ガス供給路とを仕切る少なくとも一つのセパレータを備え、
前記セパレータの前記燃料ガス供給路側の少なくとも一部に前記内部改質触媒層が設けられる請求項1,3又は4記載の燃料電池構造体。
comprising at least one separator separating the fuel gas supply channel and the oxidizing gas supply channel;
5. The fuel cell structure according to claim 1, wherein the internal reforming catalyst layer is provided on at least a portion of the separator on the fuel gas supply path side.
前記内部改質触媒層に含有される改質触媒が担体に金属が担持された触媒である請求項1~5の何れか一項記載の燃料電池構造体。 6. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 5, wherein the reforming catalyst contained in the internal reforming catalyst layer is a metal-supported catalyst. 前記内部改質触媒層に含有される改質触媒がNiを含む触媒である請求項1~6の何れか一項記載の燃料電池構造体。 The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the reforming catalyst contained in said internal reforming catalyst layer is a catalyst containing Ni. 前記乱流促進体が網状体である請求項1~7の何れか一項記載の燃料電池構造体。 8. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 7, wherein the turbulence promoter is a mesh. 前記乱流促進体が網状体であり、当該網状体が前記燃料ガス供給路における前記他方の面側に設けられている請求項1及び3~5の何れか一項記載の燃料電池構造体。 6. The fuel cell structure according to any one of claims 1 and 3 to 5, wherein the turbulence promoter is a net-like body, and the net-like body is provided on the other side of the fuel gas supply passage. 前記乱流促進体が前記燃料ガス供給路に配置される複数の障害体である請求項1~7の何れか一項記載の燃料電池構造体。 8. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 7, wherein said turbulence promoters are a plurality of obstacles arranged in said fuel gas supply passage. 前記乱流促進体の少なくとも一部表面に改質触媒が担持され、前記内部改質触媒層が形成されている請求項1~10の何れか一項記載の燃料電池構造体。 11. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 10, wherein a reforming catalyst is carried on at least a part of the surface of said turbulence promoter to form said internal reforming catalyst layer. 前記支持体が金属材料を用いて形成されている請求項1及び3~5の何れか一項記載の燃料電池構造体。 6. The fuel cell structure according to any one of claims 1 and 3 to 5, wherein said support is formed using a metal material. 前記乱流促進体が金属材料を用いて形成されている請求項1~12の何れか一項記載の燃料電池構造体。 13. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 12, wherein the turbulence promoter is formed using a metal material. 前記セパレータが金属材料を用いて形成されている請求項2又は5記載の燃料電池構造体。 6. The fuel cell structure according to claim 2, wherein said separator is formed using a metal material. 前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池である請求項1~14の何れか一項記載の燃料電池構造体。 15. The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 14, wherein said fuel cell is a solid oxide fuel cell. 請求項1~15の何れか一項記載の燃料電池構造体の複数を有して構成され、
一の前記燃料電池単セルユニットの前記酸化性ガス供給路が、当該一の燃料電池単セルユニットに隣接する他の前記燃料電池単セルユニットの前記カソード電極層に前記酸素を含有するガスを供給する燃料電池モジュール。
comprising a plurality of fuel cell structures according to any one of claims 1 to 15,
The oxidizing gas supply path of one of the fuel cell single cell units supplies the oxygen-containing gas to the cathode electrode layer of the other fuel cell single cell unit adjacent to the one fuel cell single cell unit. fuel cell module.
請求項16に記載の前記燃料電池モジュールと外部改質器とを少なくとも有し、前記燃料電池モジュールに、前記原燃料ガスを供給する燃料供給部を有する燃料電池装置。 17. A fuel cell apparatus comprising at least the fuel cell module according to claim 16 and an external reformer, and comprising a fuel supply section for supplying the raw fuel gas to the fuel cell module. 請求項16に記載の前記燃料電池モジュールと前記燃料電池モジュールから電力を取り出すインバータとを少なくとも有する燃料電池装置。 17. A fuel cell device comprising at least the fuel cell module according to claim 16 and an inverter for extracting power from the fuel cell module.
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